[논문 리뷰] Dynamics of convective carbon dioxide dissolution in a closed porous media system

Baole Wen, Daria Ahkbari외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 08.

CO2 Sequestration and Geologic Interactions참고 문헌 40인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 기체 압력 감소로 인해 브라인 포화 이전에 용해 속도가 감소하는 음성 피드백 메커니즘이 발생하는 밀폐된 다孔성 매체 시스템에서의 대류적 CO2 용해를 조사한다. 직접 수치 시뮬레이션과 박스 모델을 사용하여, 용해 유량이 인터페이스 농도의 제곱에 비례하며, 압력 감소가 대류를 크게 제한함을 보여주며, 이는 천만 년에 이르는 시간 척도에서 자연적 CO2 저류의 장기적 지속성을 설명한다.

ABSTRACT

Motivated by geological carbon dioxide (CO$_2$) storage, many recent studies have investigated the fluid dynamics of solutal convection in porous media. Here we study the convective dissolution of CO$_2$ in a closed system, where the pressure in the gas declines as convection proceeds. This introduces a negative feedback that reduces the convective dissolution rate even before the brine becomes saturated. We analyse the case of an ideal gas with a solubility given by Henry's law, in the limits of very low and very high Rayleigh numbers. The equilibrium state in this system is determined by the dimensionless dissolution capacity, $Π$, which gives the fraction of the gas that can be dissolved into the underlying brine. Analytic approximations of the pure diffusion problem with $Π>0$, show that the diffusive base state is no longer self-similar and that diffusive mass transfer declines rapidly with time. Direct numerical simulations at high Rayleigh numbers show that no constant flux regime exists for $Π> 0$; nevertheless, the quantity $F/C_s^2$ remains constant, where $F$ is the dissolution flux and $C_s$ is the dissolved concentration at the top of the domain. Simple mathematical models are developed to predict the evolution of $C_s$ and $F$ for high-Rayleigh-number convection in a closed system. The negative feedback that limits convection in closed systems may explain the persistence of natural CO$_2$ accumulations over millennial timescales.

연구 동기 및 목표

• 기체 압력이 용해 과정 중에 감소하는 밀폐된 다공성 매체 시스템에서 대류적 CO2 용해의 역학을 이해하기 위해.
• 압력 감소로 인한 음성 피드백가 확산 및 대류 질량 이동 속도에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 밀폐된 시스템 조건 하에서 고 레이놀즈 수 대류에서 용해 유량 및 농도 변화를 예측할 수 있는 모델을 개발하기 위해.
• 구조적으로 밀폐된 저류에서 자연적 CO2 축적의 장기적 지속성을 설명하기 위해.
• 기본적인 개방계 모델(압력 및 농도가 일정함)과의 비교를 위해.

제안 방법

• 유한한 용해 용량 Π 조건 하에서 비자기적 행동을 보이는 순수 확산 문제에 대한 해석적 해법.
• 고 레이놀즈 수에서 밀폐된 시스템 내 대류적 용해 역학을 연구하기 위한 직접 수치 시뮬레이션(DNS).
• 고 레이놀즈 수에서 F ∝ C_s²의 척도를 기반으로 한 박스 모델 개발(여기서 F는 용해 유량, C_s는 영역 상단의 농도).
• 용해 용량 Π를 포함한 무차원 매개변수 사용(초기 기체의 용해 가능한 비율을 나타냄).
• 박스 모델을 사용하여 기체 압력, 용해 유량, 총 용해된 CO2의 시간에 따른 변화 모델링.
• 밀폐된 시스템에서 CO2 용해도에 헨리의 법칙 적용 및 이상 기체 행동 고려.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 밀폐된 다공성 시스템에서 기체 압력 감소가 대류적 CO2 용해의 시작 시점과 속도에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 무차원 용해 용량 Π가 밀폐 시스템 내 질량 이동 역학에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 고 레이놀즈 수 대류에서 밀폐 시스템 내에서 일정한 유량 영역이 존재하는가? 존재하지 않는다면 유량은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 브라인 포화 이전에 압력 감소가 CO2 용해를 어느 정도 제한하는가?
• RQ5 간단한 박스 모델이 밀폐 시스템에서 용해 유량 및 농도 변화를 정확하게 예측할 수 있는가?

주요 결과

• Π > 0 인 밀폐 시스템에서는 용해 유량이 일정하게 유지되지 않으며, 기체 압력과 인터페이스 농도 감소로 인해 감소한다.
• 고 레이놀즈 수에서 용해 유량 F는 인터페이스 농도 C_s의 제곱에 비례하며, 이는 예측 가능한 박스 모델 구축에 기여한다.
• 고투과성 저류(Ra₀ ≈ 1.6×10⁴)에서 Π = 2일 경우 11년 만에 대류가 멈추지만, Π = 0일 경우 9년 만에 멈추며, 이는 압력 감소로 인한 것이다.
• Π = 2일 경우 유량이 7년 만에 반으로 줄고, 20년 만에 初기 값의 10%로 감소하지만, Π = 0일 경우 각각 19년과 60년이 소요된다.
• Π = 2일 경우 저류는 110년 만에 95% 포화에 도달하지만, Π = 0일 경우 330년이 소요되며, 이는 압력 피드백으로 인한 포화 속도 증가를 보여준다.
• 브라인 포화 이전에 기인한 압력 감소의 음성 피드백이 대류를 크게 제한하며, 이는 백만 년에 이르는 시간 척도에서 자연적 CO2 저류의 지속성과 관련이 있을 수 있다.