PHREEQC batch model of carbon neutrality methane generation in depleted gas reservoir

Transition from fossil fuels to renewable energy sources is essential for reducing greenhouse gas emissions and ensuring long-term energy sustainability. However, the probabilistic nature of solar and wind power availability necessitates efficient energy storage solutions to maintain grid stability. Hydrogen has emerged as a promising energy carrier, capable of storing excess amount of generated renewable energy and enabling a flexible, low-carbon energy system. Despite this, storage and transport of hydrogen is still challenging. Low volumetric energy density, high diffusivity, and infrastructure costs, limit its large-scale implementation in the near future. To overcome those barriers, carbon-neutral methane generation in the Underground Methanation Reactor (UMR) can offer a viable alternative. This technology couples a system of underground hydrogen (H₂) storage within underground sequestration of carbon dioxide (CO₂) aiming to chemically convert those gases into methane (CH₄) within depleted gas reservoirs. This approach allows long-term renewable energy storage, integrating carbon neutral methane into existing natural gas infrastructure while mitigating the challenges associated with hydrogen transport. We developed a simulation batch model of analyzing an integrated system of microbial methanation accounting for interactions with geological formations in depleted gas reservoirs. The model consists of three majors simultaneously occurring microbial pathways: methanogenesis (MET), acetogenesis (ACE), and sulfate reduction (SRB), each governed by a single active biomass population. The governing equation for simulating biochemical reactions relies on Dual-Monod kinetic approach, accounting for both substrate concentration and microbial growth. Uncertainty in behavior of our analyzing system arises from (i) microbial adaptation, (ii) characteristics of the storage environmental, (iii) geochemical characteristics of the rock and formation brine, and (iv) gas-phase interactions, affecting methane generation efficiency. Sensitivity and uncertainty assessment were conducted in a Monte Carlo (MC) framework. Results indicate that microbial activities are strongly influenced by environmental characteristics of pH and temperature, by impacting reaction kinetics and methane yield. Our simulation results confirm that methane generation stabilizes after roughly two months from storage of H₂ and CO₂. Early-stage fluctuations in gas consumption diminish as the system approaches equilibrium, highlighting the importance of optimized H₂ / CO₂ co-injection strategies. Moreover, characteristics of pressure, pH and concentrations of calcium in formation brine play key roles in CH₄ formation. Indeed, undesired H₂S generation exhibits significant variability, highlighting the importance of sulfate monitoring and mitigation strategies. Sulfate-reducing bacteria (SRBs) contribute to H₂S contamination, impacting methane purity. Our obtained results can provide valuable insights into the scalability of UMR technology as a sustainable hydrogen-to-methane conversion process, offering a carbon-neutral solution for renewable energy storage. Future studies should focus on field-scale implementation, long-term performance evaluation, and process optimization to facilitate UMR integration into existing energy infrastructure. In this study, a three-phases batch model was developed to analyze microbial methanation processes, geochemical interactions, and reservoir stability. The model consists of three majors simultaneously occurred microbial pathways: methanogenesis (MET), acetogenesis (ACE), and sulfate reduction (SRB), each governed by a single active biomass population. Microbial activity is strongly influenced by pH and temperature, impacting reaction kinetics and methane yield. The governing equation for biochemical reactions follows a Dual-Monod kinetic approach, accounting for both substrate concentration and microbial growth. Uncertainty in system behavior arises from microbial adaptation, environmental parameters, geochemical variations, and gas-phase interactions, affecting methane production efficiency. To quantify these uncertainties, sensitivity and uncertainty analyses were conducted, evaluating the effects of temperature, pH, pressure, ion concentrations, geochemical parameters, and microbial kinetics on system performance. Results indicate that Methane formation is highly stable and predictable, whereas H₂S production exhibits significant variability, highlighting the importance of sulfate monitoring and mitigation strategies. Furthermore, Methane production stabilizes after 60 days, with pressure, pH and calcium concentrations playing a key role in H2 & CO₂ reduction and CH₄ formation. Additionally, sulfate-reducing bacteria (SRBs) contribute to H₂S contamination, impacting methane purity. Early-stage fluctuations in gas consumption diminish as the system approaches equilibrium, highlighting the importance of optimized gas injection strategies. This research provides valuable insights into the scalability of UMR technology as a sustainable hydrogen-to-methane conversion process, offering a carbon-neutral solution for renewable energy storage. Future studies should focus on field-scale implementation, long-term performance evaluation, and process optimization to facilitate UMR integration into existing energy infrastructure.

La transizione dai combustibili fossili alle fonti rinnovabili è fondamentale per ridurre le emissioni di gas serra e garantire la sostenibilità energetica nel lungo periodo. Tuttavia, la natura variabile della produzione da solare ed eolico rende indispensabili soluzioni di accumulo energetico efficienti per mantenere stabile la rete elettrica. In questo contesto, l’idrogeno si è affermato come un vettore energetico promettente, capace di immagazzinare l’energia in eccesso prodotta da fonti rinnovabili e di supportare un sistema energetico flessibile e a basse emissioni. Nonostante il suo potenziale, la gestione dell’idrogeno presenta ancora diverse criticità: la bassa densità energetica, l’elevata diffusività e i costi legati alle infrastrutture ne limitano l’adozione su larga scala. Per superare tali ostacoli, la generazione di metano a impatto neutro tramite reattori di metanazione sotterranei (UMR) rappresenta un’alternativa concreta. Questa tecnologia abbina lo stoccaggio dell’idrogeno nel sottosuolo con il sequestro geologico della CO₂, favorendo la conversione chimica di questi gas in metano all’interno di giacimenti esausti. Il vantaggio è duplice: consente l’accumulo energetico a lungo termine e integra il metano neutro nella rete del gas naturale, riducendo al tempo stesso i problemi legati al trasporto dell’idrogeno. È stato sviluppato un modello di simulazione batch per analizzare un sistema integrato di metanazione microbica, considerando le interazioni con la geologia dei giacimenti. Il modello include tre principali vie metaboliche microbiche che operano simultaneamente: metanogenesi (MET), acetogenesi (ACE) e riduzione dei solfati (SRB), ciascuna controllata da una specifica popolazione microbica. Le reazioni biochimiche sono descritte da una cinetica di tipo Dual-Monod, che tiene conto sia della concentrazione dei substrati che della crescita dei microrganismi. Le principali fonti d’incertezza derivano da fattori come l’adattamento microbico, le caratteristiche del deposito, la composizione chimica della salamoia di formazione e le interazioni nella fase gassosa, che influenzano l’efficienza nella produzione di metano. Le analisi di sensibilità e incertezza sono state condotte tramite simulazioni Monte Carlo. I risultati mostrano che l’attività microbica è fortemente condizionata da fattori ambientali come pH e temperatura, che influenzano la velocità delle reazioni e la resa del metano. La simulazione conferma che la produzione di CH₄ tende a stabilizzarsi dopo circa due mesi dall’iniezione dei gas. Le variazioni iniziali si riducono gradualmente, indicando l’importanza di strategie ottimizzate di co-iniezione di H₂ e CO₂. Inoltre, fattori come pressione, pH e concentrazione di calcio nella salamoia risultano determinanti per la metanogenesi. Va notato che la produzione indesiderata di H₂S presenta un’elevata variabilità, rendendo fondamentale il controllo dei solfati e l’attuazione di misure correttive. I batteri solfato-riduttori (SRB) contribuiscono alla contaminazione da H₂S, compromettendo la purezza del metano. Le analisi effettuate offrono spunti utili per valutare la scalabilità della tecnologia UMR come processo sostenibile di conversione dell’idrogeno in metano, fornendo una soluzione neutra dal punto di vista del carbonio per l’accumulo di energia rinnovabile. Studi futuri dovranno approfondire l’applicazione su scala reale, la durata operativa e l’ottimizzazione del processo per favorire l’integrazione dell’UMR nelle infrastrutture energetiche esistenti. In questo studio è stato sviluppato un modello batch a tre fasi per analizzare i processi di metanazione microbica, le interazioni geochimiche e la stabilità del giacimento. Il modello include tre principali percorsi microbici che avvengono simultaneamente: metanogenesi (MET), acetogenesi (ACE) e riduzione dei solfati (SRB), ognuno regolato da una popolazione microbica attiva specifica. L'attività microbica è fortemente influenzata da pH e temperatura, i quali condizionano la cinetica delle reazioni e la resa del metano. L’equazione che governa le reazioni biochimiche segue un approccio cinetico Dual-Monod, che tiene conto sia della concentrazione del substrato sia della crescita microbica. L’incertezza nel comportamento del sistema deriva da adattamenti microbici, parametri ambientali, variazioni geochimiche e interazioni tra le fasi gassose, influenzando così l’efficienza della produzione di metano. Per quantificare queste incertezze, sono state condotte analisi di sensibilità e incertezza, valutando l’effetto di temperatura, pH, pressione, concentrazioni ioniche, parametri geochimici e cinetiche microbiche sulle prestazioni del sistema. I risultati dimostrano che la formazione di metano è altamente stabile e prevedibile, mentre la produzione di H₂S presenta una variabilità significativa, sottolineando l’importanza del monitoraggio dei solfati e delle strategie di mitigazione. Inoltre, la produzione di metano si stabilizza dopo 60 giorni, con pressione, pH e concentrazioni di calcio che giocano un ruolo chiave nella riduzione di H₂ e CO₂ e nella formazione di CH₄. Allo stesso tempo, i batteri solfato-riduttori (SRB) contribuiscono alla contaminazione da H₂S, influenzando la purezza del metano. Le fluttuazioni iniziali nel consumo di gas diminuiscono gradualmente con il raggiungimento dell’equilibrio, evidenziando l'importanza di strategie ottimizzate di iniezione del gas. Questa ricerca fornisce importanti spunti sulla scalabilità della tecnologia UMR come processo sostenibile per la conversione dell’idrogeno in metano, offrendo una soluzione carbon-neutral per lo stoccaggio di energia rinnovabile. Gli studi futuri dovrebbero concentrarsi su applicazioni su scala industriale, valutazioni delle prestazioni a lungo termine e ottimizzazione del processo per facilitare l'integrazione degli UMR nelle infrastrutture energetiche esistenti.