Coupled reactive transport modeling of hydrogen storage in depleted gas reservoirs

As the global energy sector shifts toward decarbonization, hydrogen has emerged as a promising energy carrier for achieving net-zero emissions. Its ability to store large amounts of energy and balance fluctuations in renewable sources makes it a critical component of future sustainable energy systems. To meet seasonal and large-scale storage demands, Underground Hydrogen Storage (UHS) in geological formations (such as saline aquifers and depleted gas reservoirs) can offer a viable and scalable solution. However, the behaviour of hydrogen in subsurface environments is influenced not only by physical transport processes but also by potential biochemical reactions, particularly microbial methanogenesis, which can significantly impact hydrogen recoverability. In present thesis, a novel framework was developed to extend MATLAB Reservoir Simulation Toolbox (MRST) for compositional flow simulations and couple it with PHREEQC (via the IPhreeqcCOM interface) aiming to account for the kinetics of microbial methanogenesis reactions in reservoir simulations. In particular, we are interested to develop a numerical framework of UHS simulation that is capable of accounting for the microbial conversion of hydrogen, H2 (stored underground) and carbon dioxide, CO2 (typically resides in depleted gas reservoirs) into methane, CH4. As a numerical case study practice, we considered a synthetic depleted gas reservoir with an initial composition that contained mostly CH2 and partially CO2 and other gases. An initial one-year phase consisting of four hydrogen injection cycles was designed to achieve pressure build-up followed by another cycle of H2 storage (4 months), relaxation (2 months), withdraw (4 months), and a final well shut-in (2 months). We will numerically simulate underground flow behavior. Besides, we will track the effects of biochemical reactions on some key simulation outputs such as (i) well production rates and the associated gas composition, (ii) temporal and spatial distribution of gaseous/liquid fluid components, (iii) temporal and spatial distribution of biomass concentration, and (iv) local changes in reservoir fluids pH. Our numerical results show that microbial activity can lead to noticeable changes in producing gas composition and hydrogen recovery. As a basis of comparison, we performed a reservoir simulation (so called base-case) while neglecting biochemical reactions. For the base-case scenario the final hydrogen recovery at the end of (two years) simulation was reported 41%. However, when biochemical reactions were included, the ultimate recovery decreased to 29%, due to the biological consumption of hydrogen and carbon dioxide. CO₂ in production gas composition ceased entirely, indicating its consumption in methanogenesis, while CH₄ in production gas is relatively high. Additionally, pH of the H₂ swept storage environment decreased over time due to microbial activities. The biomass concentration initially increased in H₂ swept region (for 62 days); hance it began to decay once hydrogen consumption shifted to methanogenesis reactions. Our findings can emphasize the importance of incorporating biochemical processes when evaluating and designing UHS systems. Ignoring microbial reactions can lead to overestimations in hydrogen recovery. Future work could expand this model to include additional microbial pathways, sensitivity and uncertainty analysis, and experimental validation, helping to move toward more realistic and reliable understanding of underground hydrogen storage strategies.

Man mano che il settore energetico globale si orienta verso la decarbonizzazione, l’idrogeno è emerso come un vettore energetico promettente per raggiungere le emissioni nette zero. La sua capacità di immagazzinare grandi quantità di energia e di bilanciare le fluttuazioni delle fonti rinnovabili lo rende un componente fondamentale dei futuri sistemi energetici sostenibili. Per soddisfare la domanda di stoccaggio stagionale e su larga scala, lo stoccaggio sotterraneo di idrogeno (Underground Hydrogen Storage, UHS) in formazioni geologiche (come acquiferi salini e giacimenti di gas esauriti) può offrire una soluzione praticabile e scalabile. Tuttavia, il comportamento dell’idrogeno negli ambienti sotterranei è influenzato non solo dai processi fisici di trasporto, ma anche da potenziali reazioni biochimiche, in particolare la metanogenesi microbica, che può avere un impatto significativo sulla recuperabilità dell’idrogeno. Nella presente tesi è stato sviluppato un nuovo framework per estendere il MATLAB Reservoir Simulation Toolbox (MRST) alle simulazioni di flusso composizionale e accoppiarlo con PHREEQC (tramite l’interfaccia IPhreeqcCOM) con l’obiettivo di tenere conto della cinetica delle reazioni di metanogenesi microbica nelle simulazioni di giacimento. In particolare, ci interessa sviluppare un framework numerico per la simulazione UHS che sia in grado di considerare la conversione microbica dell’idrogeno, H₂ (stoccato nel sottosuolo), e dell’anidride carbonica, CO₂ (tipicamente presente nei giacimenti di gas esauriti), in metano, CH₄. Come esercizio numerico di studio, abbiamo considerato un giacimento di gas esaurito sintetico con una composizione iniziale costituita principalmente da CH₂ e in parte da CO₂ e altri gas. È stata progettata una fase iniziale di un anno composta da quattro cicli di iniezione di idrogeno per favorire l’aumento di pressione, seguita da un ulteriore ciclo di stoccaggio di H₂ (4 mesi), rilassamento (2 mesi), estrazione (4 mesi) e infine shut-in del pozzo (2 mesi). Simuleremo numericamente il comportamento del flusso sotterraneo. Inoltre, tracceremo gli effetti delle reazioni biochimiche su alcuni parametri chiave della simulazione, quali: (i) portate di produzione e composizione del gas associato, (ii) distribuzione temporale e spaziale delle componenti fluide gassose/liquide, (iii) distribuzione temporale e spaziale della concentrazione di biomassa, e (iv) variazioni locali di pH dei fluidi di giacimento. I nostri risultati numerici mostrano che l’attività microbica può determinare variazioni significative nella composizione del gas prodotto e nella recuperabilità dell’idrogeno. Come base di confronto, abbiamo effettuato una simulazione di giacimento (cosiddetto caso base) trascurando le reazioni biochimiche. Per lo scenario base, la recuperabilità finale di idrogeno al termine della simulazione (due anni) è stata del 41%. Tuttavia, includendo le reazioni biochimiche, la recuperabilità finale si è ridotta al 29%, a causa del consumo biologico di idrogeno e anidride carbonica. La CO₂ nella composizione del gas prodotto è scomparsa del tutto, indicando il suo consumo nella metanogenesi, mentre la concentrazione di CH₄ nel gas prodotto è risultata relativamente elevata. Inoltre, il pH dell’ambiente di stoccaggio attraversato dall’H₂ è diminuito nel tempo a causa dell’attività microbica. La concentrazione di biomassa è inizialmente aumentata nella regione interessata dall’H₂ (per 62 giorni), per poi decrescere quando il consumo di idrogeno è passato alle reazioni di metanogenesi. I nostri risultati possono evidenziare l’importanza di incorporare i processi biochimici nella valutazione e nella progettazione dei sistemi UHS. Ignorare le reazioni microbiche può portare a sovrastime nella recuperabilità dell’idrogeno. Lavori futuri potrebbero ampliare questo modello includendo ulteriori vie metaboliche microbiche, analisi di sensibilità e incertezza, nonché validazioni sperimentali, contribuendo a una comprensione più realistica e affidabile delle strategie di stoccaggio sotterraneo dell’idrogeno.