[論文レビュー] Numerical Simulation of the Impact of Different Cushion Gases on Underground Hydrogen Storage in Aquifers Based on an Experimentally-Benchmarked Equation-of-State

Qingqi Zhao, Yuhang Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2023

CO2 Sequestration and Geologic InteractionsEnvironmental Science被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、実験的にベンチマークされた状態方程式を用いた二段階・三成分貯留シミュレータを開発し、異なるカッシュンガス（CO2、CH4、N2）が含水層における水素の流れと貯蔵効率に与える影響を調査した。CO2をカッシュンガスとして用いることで、密度駆動対流に起因する水相への溶解が促進され、水素の純度が最大になる。一方、CH4およびN2は水素の移動性と回収速度を向上させる。

ABSTRACT

Underground hydrogen storage (UHS) in geological formations is a promising technology for large-scale hydrogen energy storage. Although lessons were learned from similar studies, including geological carbon sequestration and underground gas storage, the unique thermodynamic and physical properties of hydrogen distinguish UHS from the other subsurface storage projects. We developed a two-phase, three components reservoir simulator, which incorporated essential physics based on the fully coupled multi-physics framework of the Delft Advanced Reservoir Simulation (DARSim). Hydrogen rich fingers were observed in the aqueous phase when CO2 was used as the cushion gas, because dissolved CO2 increased brine density, leading to density-driven downward convection which was favorable for hydrogen dissolution into the aqueous phase. The highest purity of produced hydrogen was observed when CO2 was used as the cushion gas, whereas using CH4 and N2 as the cushion gas was favorable for the hydrogen production rate and mobility. This work is the first study that utilizes an EoS based reservoir simulator to investigate hydrogen's flow patterns and interactions with cushion gases in an underground storage system. The developed reservoir simulation tool and research findings from this study will be valuable to support decision making in practical UHS projects.

研究の動機と目的

• 塩水含水層における水素貯蔵性能に与える異なるカッシュンガスの影響を調査すること。
• 他の地下ガスとは異なり、水素が有する特異な熱力学的および物理的課題に対処すること。
• 水素とカッシュンガスの相互作用を捉えることが可能な物理的ベースの貯留シミュレータを開発すること。
• 異なるカッシュンガス条件下での水素の純度、回収速度、移動性といった主要な性能指標を評価すること。
• 実験的に検証された状態方程式を用いた、実世界の地下水素貯蔵プロジェクトにおける意思決定支援ツールを提供すること。

提案手法

• Delft Advanced Reservoir Simulation（DARSim）フレームワークに基づく二相・三成分貯留シミュレータを開発した。
• 流体の流れ、輸送、熱力学的挙動を完全に結合したマルチフィジックスモデルを組み込んだ。
• 水素およびカッシュンガスの相挙動を正確に表現するために、実験的にベンチマークされた状態方程式（EoS）を用いた。
• 代表的な含水層モデルを用いて、CO2、CH4、N2を異なるカッシュンガスとして用いた水素の注入・回収サイクルをシミュレートした。
• 性能評価のため、水素の飽和度、相分布、溶解水素濃度を追跡した。
• 流れのパターン、特に水素を多く含む指状流れや密度駆動対流の形成を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地下含水層貯蔵からの回収時における、カッシュンガスの選択（CO2、CH4、N2）が水素の純度に与える影響は何か？
• RQ2 CO2をカッシュンガスとして用いる場合、密度駆動対流が水素の溶解および移動性に果たす役割は何か？
• RQ3 異なるカッシュンガスが、貯蔵された水素の回収速度および移動性に与える影響は何か？
• RQ4 水素の注入および抽出過程における、主な流れのパターンと相分布ダイナミクスは何か？
• RQ5 実験的にベンチマークされた状態方程式は、従来のEoSモデルと比較して、シミュレーションの正確性をどの程度向上させるか？

主な発見

• CO2をカッシュンガスとして用いることで、密度駆動対流に起因する水相への溶解が促進され、水素の純度が最も高くなった。
• CO2をカッシュンガスとして用いた場合、水相に水素を多く含む指状流れが形成され、顕著な下向き移動と溶解が示された。
• CH4およびN2をカッシュンガスとして用いることで、水素の移動性と回収速度が向上し、回収効率が向上することが示唆された。
• 実験的にベンチマークされた状態方程式により、相挙動および界面相互作用の正確な予測が可能になった。
• シミュレーション結果から、CO2に起因するブルンの密度増加が対流混合を促進し、水素の溶解度が上昇することが明らかになった。
• 本研究は、EoSに基づく貯留シミュレータを用いて、地下貯蔵における水素の流れとカッシュンガスとの相互作用をモデル化した初の研究である。