Life Cycle Assessment of in-situ biogenic methane production in depleted carbonate reservoirs under uncertainty

This thesis presents a stochastic Life Cycle Assessment (LCA) of a biogenic system for carbon-neutral methane production through underground methanation in depleted carbonate gas reservoirs. Underground Methanation Reactors (UMRs) integrate renewable hydrogen storage with CO2 capture, enabling the underground conversion of H2 and CO2 into methane and offering advantages such as lower development costs, long-duration energy storage, and compatibility with natural gas networks. The study aims to assess the environmental performance of UMRs under realistic subsurface conditions, where various microorganisms compete with methanogens as alternative H2 reactants. Subsurface uncertainty affects microbial behavior, influencing methane production and by-product formation, including hydrogen sulfide. A stochastic LCA is thus applied to evaluate how these biological and geochemical uncertainties affect key environmental indicators: Global Warming Potential (GWP), Acidification Potential (AP), Human Toxicity (HT), Abiotic Depletion Potential (ADP), Abiotic Depletion Potential of fossil resources (ADP - fossil), Marine Aquatic Ecotoxicity Potential (MAETP), and Freshwater Aquatic Ecotoxicity Potential (FAETP). The baseline system assumes CO2 is sourced from coal-fired power plants and purified by amine scrubbing, with heat supplied by natural gas. Three alternative configurations are evaluated: (i) using biogenic CO2 from biogas upgrading, (ii) replacing amine scrubbing with a reverse-selective membrane, and (iii) combining membrane purification with biogenic CO2. These scenarios capture the effects of CO2 origin and purification technology on overall environmental performance. The analysis combines a suite of UMR geochemical batch models developed in PHREEQC with a gate-to-gate LCA model. Simulations account for uncertainty in values of input parameters — such as temperature, pH, mineralogy, brine chemistry, and microbial kinetics — characterized according to predefined probability distributions. These variations impact the microbial and chemical dynamics simulated in PHREEQC, affecting the production of CH4, unreacted H2 and CO2, and byproducts. These outputs serve as inputs to the LCA, linking subsurface uncertainty to variability in environmental performance. We performed a Global Sensitivity Analysis using a statistical approach. Temperature, pH, and sulfate concentration were identified as the most influential parameters in the performance of the UMR. The natural gas system is used as the main benchmark. The baseline UMR configuration generally shows higher impacts across most categories, but when biogenic CO2 sourcing and membrane purification are applied, its GWP approaches or outperforms the benchmark in many cases. Overall, the results show that optimized UMR configurations can match natural gas in climate performance while offering additional benefits in renewable integration and carbon management.

Questa tesi presenta una Valutazione del Ciclo di Vita (LCA) stocastica di un sistema biogenico per la produzione di metano carbon-neutral attraverso la metanazione sotterranea in giacimenti carbonatici esauriti. I Reattori di Metanazione Sotterranea (UMR) integrano lo stoccaggio di idrogeno rinnovabile con la cattura di CO2, consentendo la conversione sotterranea di H2 e CO2 in metano e offrendo vantaggi quali costi di sviluppo inferiori, accumulo energetico di lunga durata e compatibilità con le reti di gas naturale. Lo scopo dello studio è valutare le prestazioni ambientali degli UMR in condizioni realistiche di sottosuolo, dove diversi microrganismi competono con i metanogeni come utilizzatori alternativi di H2. L’incertezza del sottosuolo influenza il comportamento microbico, modificando la produzione di metano e la formazione di sottoprodotti, inclusi l’idrogeno solforato. Viene quindi applicata un’analisi LCA stocastica per valutare come queste incertezze biologiche e geochimiche incidano sui principali indicatori ambientali: Global Warming Potential (GWP), Acidification Potential (AP), Human Toxicity (HT), Abiotic Depletion Potential (ADP), Abiotic Depletion Potential of fossil resources (ADP – fossil), Marine Aquatic Ecotoxicity Potential (MAETP) e Freshwater Aquatic Ecotoxicity Potential (FAETP). Il sistema di riferimento considera la CO2 proveniente da centrali a carbone, depurata tramite lavaggio con ammine e con calore fornito da gas naturale. Vengono valutate tre configurazioni alternative: (i) l’impiego di CO2 biogenica da upgrading del biogas, (ii) la sostituzione del lavaggio con ammine con una membrana selettiva inversa e (iii) la combinazione tra purificazione a membrana e CO2 biogenica. Questi scenari permettono di analizzare l’influenza dell’origine della CO2 e della tecnologia di purificazione sulle prestazioni ambientali complessive. L’analisi combina una serie di modelli geochimici batch UMR sviluppati in PHREEQC con un modello LCA gate-to-gate. Le simulazioni tengono conto dell’incertezza dei parametri in ingresso — come temperatura, pH, mineralogia, composizione chimica delle soluzioni saline e cinetiche microbiche — caratterizzati secondo distribuzioni di probabilità predefinite. Queste variazioni influenzano le dinamiche microbiche e chimiche simulate in PHREEQC, modificando la produzione di CH4, H2 e CO2 non reagiti e dei sottoprodotti. I risultati di queste simulazioni sono utilizzati come input per l’LCA, collegando l’incertezza del sottosuolo alla variabilità delle prestazioni ambientali. È stata inoltre condotta un’Analisi di Sensitività Globale mediante un approccio statistico, che ha identificato la temperatura, il pH e la concentrazione di solfati come i parametri più influenti sulle prestazioni degli UMR. Il gas naturale è utilizzato come benchmark principale. La configurazione UMR di base mostra generalmente impatti maggiori nella maggior parte delle categorie, ma l’adozione di CO2 biogenica e della purificazione a membrana consente al GWP degli UMR di avvicinarsi o essere migliore rispetto al benchmark in molti casi. Nel complesso, i risultati mostrano che configurazioni UMR ottimizzate possono eguagliare il gas naturale in termini di prestazioni climatiche, offrendo al contempo ulteriori vantaggi nell’integrazione delle rinnovabili e nella gestione del carbonio.