Risk assessment through underground hydrogen storage in depleted gas resevoir

Transition towards low-carbon emissions scenarios of energy production requires reliable large-scale energy storage solutions. Underground hydrogen storage (UHS) in depleted gas reservoirs can offer reasonable potential to answer the need for large-scale energy storage. Hence, installation of UHS may face crucial challenges regarding complex microbial, geochemical, and transport processes reflecting in significant risk of hydrogen losses. Present thesis work tries to develop a probabilistic framework of quantifying risks associated with UHS in the North Sea depleted carbonate gas reservoirs and identify the related dominant controlling parameters. Risk assessment is performed in a stochastic Monte Carlo (MC) framework aiming to assess potential of (i) undesired geogenic (coupled geochemical/biochemical) product generation, and (ii) leakage from storage sites. A sort of MC batch models was developed in PHREEQC environment to address risk of undesired geogenic product generation. Sort of MC realizations were generated reflecting uncertainties in the North Sea carbonate gas reservoirs’ characteristics of temperature, pressure, mineralogy, brine composition, and microbial kinetics. Batch model simulations are performed over 100-days storage time and evaluated temporal responses of hydrogen loss, pH evolution, microbial biomass growth, and Hydrogen sulfide (H₂S) formation. Then, risk levels were classified using percentile envelopes and sampled probability density functions, pdf, of the simulation responses. Our obtained results confirm that hydrogen loss and pH shift consistently fall into medium-risk ranges, microbial biomass occasionally reaches high-risk levels, and H₂S formation is negligible in nearly all realizations that were simulated. Global sensitivity analysis (GSA) performed through evaluation of AMA indices’ values; results highlighted microbial kinetics, carbonate buffering, and sulfate availability as the key parameters driving simulation outcomes of our interests. To complement the assessment, a one-dimensional reactive transport model (of reservoir–caprock column) was developed and simulated for the same uncertainty as introduced for the batch model and a source term (with constant aqueous flux) assigned as boundary conditions. Sample pdfs of leakage characterized from simulation responses of the MC realizations; reveal that hydrogen leakage almost universally falls within the medium-risk category (2–15% loses in molar basis), methane, CH4, breakthrough stabilizes around 5% (medium risk), and carbon dioxide, CO₂, leakage remains negligible due to reactive consumption and buffering. Overall, our MC-based stochastic framework of risk assessment is capable of: (i) quantifying uncertainties in geogenic reactions and leakages from UHS storage sites, (ii) ranking controlling factors driving simulation responses, and (iii) providing insights for site selection, monitoring, and operational strategies for safe deployment of UHS in carbonate reservoirs. In particular, our findings demonstrate that undesired byproduct generation due to microbial activities and H₂ and CH4 leakages are the principal risks associated with UHS in depleted carbonate gas reservoir systems.

La transizione verso scenari di produzione energetica a basse emissioni di carbonio richiede soluzioni affidabili di stoccaggio di energia su larga scala. Lo stoccaggio sotterraneo di idrogeno (UHS) in giacimenti di gas esauriti può offrire un potenziale ragionevole per soddisfare tale esigenza. Tuttavia, l’installazione di UHS può affrontare sfide cruciali legate a complessi processi microbici, geochimici e di trasporto, che si riflettono in un rischio significativo di perdite di idrogeno. Il presente lavoro di tesi cerca di sviluppare un quadro probabilistico per quantificare i rischi associati all’UHS nei giacimenti carbonatici esauriti del Mare del Nord e identificare i relativi parametri di controllo dominanti. La valutazione del rischio è condotta in un quadro stocastico di tipo Monte Carlo (MC), con l’obiettivo di stimare il potenziale di (i) generazione indesiderata di prodotti geogenici (processi geochimici/biogeochimici accoppiati) e (ii) fughe dai siti di stoccaggio. Una serie di modelli batch MC è stata sviluppata nell’ambiente PHREEQC per affrontare il rischio di generazione indesiderata di prodotti geogenici. Sono state prodotte diverse realizzazioni MC, riflettendo le incertezze nelle caratteristiche dei giacimenti carbonatici esauriti del Mare del Nord in termini di temperatura, pressione, mineralogia, composizione della salamoia e cinetiche microbiche. Le simulazioni batch sono state condotte su un periodo di 100 giorni di stoccaggio e hanno valutato le risposte temporali della perdita di idrogeno, dell’evoluzione del pH, della crescita della biomassa microbica e della formazione di idrogeno solforato (H₂S). Successivamente, i livelli di rischio sono stati classificati utilizzando gli inviluppi percentili e le funzioni di densità di probabilità (pdf) campionate dalle risposte di simulazione. I risultati ottenuti confermano che la perdita di idrogeno e le variazioni di pH rientrano costantemente nelle fasce di rischio medio, la biomassa microbica raggiunge occasionalmente livelli di rischio elevato, mentre la formazione di H₂S è trascurabile in quasi tutte le realizzazioni simulate. Un’analisi di sensibilità globale (GSA), condotta attraverso la valutazione degli indici AMA, ha evidenziato le cinetiche microbiche, il buffering carbonatico e la disponibilità di solfati come parametri chiave che influenzano gli esiti delle simulazioni di nostro interesse. Nel complesso, il nostro quadro stocastico basato su MC per la valutazione del rischio è in grado di: (i) quantificare le incertezze nelle reazioni geogeniche e nelle perdite dai siti di stoccaggio UHS, (ii) classificare i fattori di controllo che determinano le risposte di simulazione, e (iii) fornire indicazioni per la selezione dei siti, il monitoraggio e le strategie operative per un’implementazione sicura dell’UHS nei giacimenti carbonatici. In particolare, i nostri risultati dimostrano che la generazione indesiderata di sottoprodotti dovuta ad attività microbiche e le perdite di H₂ e CH₄ costituiscono i principali rischi associati all’UHS nei sistemi di giacimenti di gas carbonatici esauriti.