Development of an integrated work-flow for biochemical underground hydrogen storage modelling

With energy transition happening in the next future years, a significant amount of variable renewable energy production from wind and solar power plants will be added to the national energy system. This condition will arise the need in large amount and long period storage facilities that can handle the seasonality of renewable electricity generation. The transformation of such electricity into chemical energy related to hydrogen using electrolysers is getting more and more attention. Once the H2 molecules are produced they have to be stored for long periods of time, since up-surface tanks doesn’t seem to be able to fulfil the task completely much research is focusing on Underground Hydrogen Storage (UHS) as an alternative. This type of storage can be done in four different sub-surface formations: lined rock caverns, salt caverns, deep aquifers, and depleted oil and gas fields. Many aspects of UHS require dedicated projects to be completely understood, this thesis focuses mainly on two different aspects that are relevant when a realistic depleted gas field facility is under investigation: 1. The main bio-chemical activity that takes place in underground formations i.e. Methanogenic Archaea proliferation is studied, modelled and simulated. Its impact depending on reservoir conditions and operational choices is evaluated through a sensitivity analysis approach on different parameters 2. The main plant operability parameters are varied in order to develop an extendable procedure to understand: realistic storage capacity, cushion gas decision marks. Plus a final sensitivity analysis on scheduled flowrate flexibility is added to better understand the real potential of this technology in future projections of a national energy system completely decarbonized To realize the first task a tuning procedure to model the proliferation rate of Methanogenic Archaea based on H2 and CO2 aqueous concentration in the sub-surface field was done. Together with it, the estimation of Vapour-Liquid equilibrium constant at reservoir conditions for each component in the fluid mixture was done. Once the technical issues were completely addressed the sensitivity analysis were made and showed that a large amount of CO2 in reservoir is actually an issue, but if this parameter is kept under control the maximum H2 loss due to methanogens remains below 3% with respect to the same case without microorganism. Regarding the second task many configurations have been simulated to evaluate the actual potential of the Nissa field without including the microorganism losses that would have had a marginal impact over a long period of operation. From that starting point the impact of the cushion gas molecule and amount, the number of wells to put in place, the aquifer push importance and benefits correlated to a flexible schedule were understood. Final results show that: • H2 molecule as a cushion gas is from a technical point of view preferable even if CH4 option might be cheaper, • Critical aspects like the possibility to insert an idle period between the cushion gas injection and the 1st injection of operation might increase the estimated capacity of the specific facility • Flexible switching between injection and production operation on daily basis brings strong benefits on water management and gas production stream purity

Con la transizione energetica in atto nei prossimi anni, al sistema energetico nazionale si aggiungerà una quantità significativa di produzione variabile di energia rinnovabile da impianti eolici e solari. Questa condizione farà sorgere la necessità di impianti di stoccaggio di grandi dimensioni e di lunga durata, in grado di gestire la stagionalità della produzione di energia elettrica rinnovabile. La trasformazione di tale energia elettrica in energia chimica legata all'idrogeno mediante elettrolizzatori sta ricevendo sempre più riconoscimento in ambito scientifico. Una volta prodotte, le molecole di H2 devono essere immagazzinate per lunghi periodi di tempo; poiché i serbatoi in superficie non sembrano essere in grado di svolgere completamente questo compito, molti studi si stanno concentrando sullo stoccaggio sotterraneo dell'idrogeno come alternativa. Questo tipo di stoccaggio può essere effettuato in quattro diverse formazioni sotterranee: caverne di roccia rivestite artificialmente, caverne saline, falde acquifere profonde e giacimenti di petrolio e gas esauriti. Molti aspetti di questo tipo di stoccaggio richiedono progetti dedicati per essere completamente compresi; questa tesi si concentra principalmente su due diversi aspetti che sono rilevanti quando si studia un caso realistico di un campo a gas esaurito: 1. La più rilevante attività biochimica che ha luogo nelle formazioni sotterranee, ossia la proliferazione di agenti metanogeni, viene studiata, modellata e simulata. Il suo impatto, che dipende dalle condizioni del giacimento e dalle scelte operative, è stato valutato attraverso un approccio di analisi di sensitività su diversi parametri. 2. Le principali variabili di operatività dell'impianto vengono modificate al fine di sviluppare una procedura universale per comprendere: la capacità di stoccaggio reale, le strategie decisionali riguardo il cushion gas. Inoltre, viene aggiunta un'analisi finale sulla flessibilità della portata programmata, per comprendere meglio il reale potenziale della tecnologia di stoccaggio nelle proiezioni future di un sistema energetico nazionale completamente decarbonizzato. Per realizzare il primo task è stata eseguita una procedura di messa a punto per modellare il tasso di proliferazione degli agenti metanogeni in base alla concentrazione acquosa di H2 e CO2 nel campo. Insieme ad essa, è stata effettuata la stima della costante di equilibrio liquido-vapore alle condizioni del giacimento per ciascun componente della miscela fluida. Una volta affrontate completamente le questioni tecniche, sono state effettuate analisi di sensitività che hanno mostrato che una grande quantità di CO2 nel serbatoio è effettivamente un problema, ma se questo parametro viene tenuto sotto controllo la perdita massima di H2 dovuta ai metanogeni rimane inferiore al 3% rispetto allo stesso caso senza microrganismi. Per quanto riguarda il secondo task, sono state simulate molte configurazioni per valutare l'effettivo potenziale del campo Nissa senza includere le perdite di microrganismi che avrebbero avuto un impatto marginale in uno scenario di lungo periodo. Da questo punto di partenza è stato possibile valutare l'impatto della molecola e della quantità di cushion gas, il numero di pozzi da realizzare, l'importanza della spinta dell'acquifero e i benefici correlati a una programmazione flessibile delle portate da iniettare e produrre. I risultati finali mostrano che: • La molecola H2 come cushion gas è preferibile da un punto di vista tecnico anche se l'opzione CH4 potrebbe essere più economica, • Aspetti critici come la possibilità di inserire un periodo di inattività tra l'iniezione del cushion gas e la prima iniezione di esercizio potrebbero aumentare la capacità stimata dell'impianto specifico • Il passaggio rapido tra un periodo di iniezione e uno di produzione può portare forti benefici alla gestione dell'acquifero e alla purezza del gas prodotto.