Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2009

In Deutschland wird das Thema der Energiewende mit voranschreitender Diskussion über Kohle- und Atomausstieg immer populärer und konkreter. Hierbei wird es immer wichtiger, die Erneuerbaren Energien in den Vordergrund zu rücken und diese effizienter zu nutzen. Ein zentrales Problem, welches gelöst werden muss, ist die Speicherung dieser Energie. Es muss zu jeder Zeit möglich sein den Energiebedarf zu decken, unabhängig davon, ob Wind- und Solaranlagen Strom liefern. Ein möglicher Ansatz ist, aus überschüssiger Wind- und Sonnenenergie über eine Elektrolyse Wasserstoff zu erzeugen und diesen dann in unterirdischen Strukturen wie z.B. Salzkavernen, Aquiferstrukturen oder ausgeförderte Öl- oder Gaslagerstätten zu speichern. In dieser Arbeit sollen die thermodynamischen und fluiddynamischen Strömungsvorgänge in Salzkavernen während der Umwidmung von Erdgas auf Wasserstoff untersucht und simuliert werden. Für die Umstellung eines Kavernenspeichers von Erdgas auf Wasserstoff wurden zwei Möglichkeiten identifiziert. Die erste Variante ist, das Kaverne befindliche Erdgas als Kissengas zu nutzen. Diese Variante bringt den Vorteil, dass das Kissengas als natürliche Hemmschwelle zwischen dem Kavernensumpf und Wasserstoff dient, was wiederum eine Schwefelwasserstoff – Bildung hemmt. Als zweite Umstellungsvariante könnte die Kaverne mit vollgesättigter Sole gefüllt werden, um das Erdgas vollständig fördern zu können. Anschließend kann Wasserstoff in die mit Sole gefüllte Kaverne injiziert werden. Für diese Umstellungsvariante ist es nötig, den Soleentleerungsstrang in die Bohrung einzubauen, wofür eine Workoveranlage vonnöten ist. Diese Variante bringt den Vorteil, dass eine reine Wasserstoffkaverne zur Verfügung steht und geringere Anforderungen an die Gasaufbereitung gestellt werden müssen:Inhaltsverzeichnis Abkürzungs- und Symbolverzeichnis I 1. Einleitung 1 1.1 Aufgabenstellung 3 1.2 Bedeutung von Salzkavernen für die Speicherung 4 1.3 Stand der Technik 6 1.4 Aufbau der Arbeit 7 2. Eigenschaften von Methan, Wasserstoff und Methan – Wasserstoff – Mischgasen 9 2.1 Dichte 11 2.1.1 Methan 12 2.1.2 Wasserstoff 13 2.1.3 Methan – Wasserstoff – Mischgase 15 2.2 Realgasfaktor 15 2.2.1 Methan 16 2.2.2 Wasserstoff 17 2.2.3 Methan – Wasserstoff – Mischgase 18 2.3 Dynamische Viskosität 20 2.3.1 Methan 20 2.3.2 Wasserstoff 22 2.3.3 Methan – Wasserstoff – Mischgase 25 2.4 Spezifische Wärmekapazität und Isotropenexponent 27 2.4.1 Methan 27 2.4.2 Wasserstoff 29 2.4.3 Methan – Wasserstoff – Mischgase 30 2.5 Wärmeleitfähigkeit 30 2.5.1 Methan 30 2.5.2 Wasserstoff 32 2.5.3 Methan – Wasserstoff – Mischgase 33 2.6 Joule – Thomson – Koeffizient 34 2.6.1 Methan 34 2.6.2 Wasserstoff 36 2.6.3 Methan – Wasserstoff – Mischgase 36 2.7 Löslichkeit in salzhaltigem Wasser 36 2.7.1 Methan 36 2.7.2 Wasserstoff 39 2.7.3 Methan – Wasserstoff – Mischgase 39 2.8 Gegenüberstellung der Eigenschaften zwischen Erdgas, Wasserstoff und Erdgas – Wasserstoff – Mischgasen 40 2.8.1 Dichte 40 2.8.2 Realgasfaktor 41 2.8.3 Dynamische Viskosität 42 2.8.4 Spezifische Wärmekapazität 43 2.8.5 Wärmeleitfähigkeit 44 2.8.6 Joule – Thomson – Koeffizient 45 2.9 Zusammenfassung der genauesten Stoffgleichung 46 3. Physikalische Grundlagen 48 3.1.1 Wärmetransport 49 3.1.2 Konvektion 50 3.1.3 Diffusion 50 3.1.4 Charakterisierung von Strömungen 53 4. Auswertung der Stadtgas – Erfahrungen und Entwicklung von Gas – Mischungsreferenzfällen 57 4.1 Stadtgasspeicherung 57 4.2 Gasqualität und Gasqualitätsveränderungen während der Medienumstellung von Stadtgas auf Erdgas 58 4.2.1 Theoretische Betrachtungen der Stadtgas – Erdgas – Umstellung 59 4.2.2 Monitoring Umstellung der Kaverne LT 22 61 4.2.3 Umstellung weiterer Kavernen und die Entwicklung der Gasqualität in den Jahren 1997 bis 1998 63 4.2.4 Anwendbarkeit der Ergebnisse auf die Medienumstellung mit Wasserstoff 64 5. Entwicklung eines Simulationsmodells 65 5.1 Modellentwicklung 66 5.1.1 Modellkonzeption 66 5.1.2 Geometrie 68 5.1.3 Randbedingungen 69 5.1.4 Feuchteentwicklung bei der Gasspeicherung in Salzkavernen 70 5.1.5 Vernetzung 72 5.1.6 Beschreibung und Auswahl der verfügbaren Turbulenzmodule 75 5.1.7 Mathematische Beschreibung des verwendeten Turbulenzmoduls 79 6. Simulation der Medienumstellung 83 6.1 Umstellungsstrategien 83 6.2 Simulation der Injektionsphase für unterschiedliche Randbedingungen 84 6.2.1 Untersuchung des Einflusses der Eintrittsgeschwindigkeit 84 6.2.2 Untersuchung des Einflusses des Anfangsdrucks 88 6.2.3 Untersuchung des Einflusses der Temperaturverhältnisse der Gase 91 6.3 Simulation der Ruhephase 93 6.4 Simulation der Ausspeicherphase 97 6.5 Prognose der zu erwartenden Gasqualitäten 99 7. Zusammenfassung und Ausblick 101 Literaturverzeichnis 105 Abbildungsverzeichnis 111 Tabellenverzeichnis 115 Anlagenverzeichnis 116

The mitigation of greenhouse gases, like CO2 is a challenging aspect for our society. A strategy to hamper the constant emission of CO2 is utilizing carbon capture and storage technologies. CO2 is sequestrated in subsurface reservoirs. However, these reservoirs harbor the risk of leakage and appropriate geophysical monitoring methods are needed. A crucial aspect of monitoring is the assignment of measured data to certain events occurring. Especially if changes in the measured data are small, suitable statistical methods are needed. In this thesis, a new statistical workflow based on cluster analysis is proposed to detect similar transient electromagnetic signals. The similarity criteria dynamic time warping, the autoregressive distance, and the normalized root-mean-square distance are investigated and evaluated with respect to the classic Euclidean norm. The optimal number of clusters is determined using the gap statistic and visualized with multidimensional scaling. To validate the clustering results, silhouette values are used. The statistical workflow is applied to a synthetic data set, a long-term monitoring data set and a repeat measurement at a pilot CO2-sequestration site in Brooks, Alberta.

Capillary trapping plays a central role in the geological storage of CO2, oil recovery, and water soil infiltration. The key aim of this study is to investigate the impact of surface properties (wettability, roughness, heterogeneous mineral composition) on the dynamics of quasi-static fluid displacement process and capillary trapping efficiency in porous medium. We concluded that for homogeneous wet smooth glass beads surfaces, a transition in fluid displacement pattern occurs from a compact (for θ < 90°; imbibition process) to a fractal front-pattern (for θ > 90°; drainage process) leading to a crossover in capillary trapping efficiency from zero to maximum. The impact of surface roughness on capillary trapping efficiency was also studied, and an opposite trends in terms of wettability dependency was observed. Rough natural sands surfaces depicts a non-monotonous wettability dependency, i.e. a transition from maximal trapping (for θ < 90°) to no-trapping occurs (at θ = 90°), followed by an increase to medium trapping (for θ > 90°). For a fractional-wet media, the percolating cluster of hydrophobic sediments (connected hydrophobic pathways) characterize the fluid displacement pattern and trapping efficiency.