Khả năng thấm ướt hydro của đá vôi, dolomit và anhydrit trong hỗn hợp nhị phân của CH₄ và CO₂
Tóm tắt
Lưu trữ hydro ngầm (UHS) đã được đề xuất như một giải pháp tiềm năng cho việc lưu trữ năng lượng quy mô lớn cần thiết để thiết lập một xã hội phát thải ròng bằng không. Tuy nhiên, thành công của UHS phụ thuộc vào một số thông số địa chất và vật lý đá của đá chủ, bao gồm khả năng thấm ướt, điều này quyết định con đường di chuyển của đám mây trong cấu trúc lỗ rỗng và hiệu quả chiết xuất hydro được lưu trữ. Trong nghiên cứu này, những thay đổi về khả năng thấm ướt của cacbonat và anhydrit đối với H₂ trong hỗn hợp nhị phân của CH₄ và CO₂ đã được đánh giá bằng cách sử dụng các phép đo góc tiếp xúc khí/nước/đá (CA) ở nhiều áp suất khác nhau (3,44-17,23 MPa) và nhiệt độ (30 °C và 75 °C). Kết quả thu được cho thấy các hỗn hợp nhị phân này không có tác động đáng kể đến khả năng thấm ướt H₂ của các mẫu cacbonat đã chọn. Mặc dù CA của hệ thống CO2/nước cao hơn một chút so với CH4/nước do mật độ CO2, tất cả các tập dữ liệu CA được đo đều dưới 34 độ trong mọi điều kiện được đánh giá, cho thấy các mẫu cacbonat vẫn duy trì trạng thái ưa nước cao ban đầu của chúng mặc dù có sự hiện diện của tạp chất khí. Người ta kết luận rằng trong UHS, CH4 và CO2 tại chỗ trong các bể chứa khí cạn kiệt và việc trộn H2 với chúng như các khí đệm tiềm năng sẽ không có tác động đáng kể đến hành vi làm ướt của cacbonat khi nhiệt độ thay đổi và độ sâu lưu trữ tăng lên.
Giới thiệu
Nhu cầu năng lượng đã tăng đáng kể và vượt quá nguồn cung năng lượng toàn cầu do dân số thế giới ngày càng tăng và công nghiệp hóa. Thế giới đã dựa vào nhiên liệu gốc carbon để đáp ứng nhu cầu năng lượng của mình trong nhiều thập kỷ, nhưng lượng khí thải carbon dioxide ngày càng tăng từ quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch đã dẫn đến biến đổi khí hậu và thu hút sự chú ý của toàn cầu đối với các nguồn năng lượng thay thế. Trong bối cảnh này, H2 thú vị như một giải pháp thay thế tiềm năng cho nhiên liệu hóa thạch, chủ yếu là do tính sẵn có và tính linh hoạt của nó, cũng như thực tế là quá trình đốt cháy nó tạo ra hơi nước, không phát thải (Raza và cộng sự, 2022).
Do tính không liên tục của việc sản xuất hydro xanh thông qua gió và mặt trời, nên việc lưu trữ H2 trong các cơ sở bề mặt như thùng chứa áp suất hoặc thông qua lưu trữ hóa chất đã được xem xét (Amirthan và Perera, 2023; Hematpur và cộng sự, 2023; Navaid và cộng sự, 2023). Tuy nhiên, các địa điểm lưu trữ hydro bề mặt không cung cấp đủ công suất cần thiết và thường đi kèm với chi phí bảo trì rất lớn (Abdin và cộng sự, 2021; Abe và cộng sự, 2019; Moradi và Groth, 2019; Olabi và cộng sự, 2021; Tarhan và Çil, 2021). Lưu trữ hydro ngầm trong các bể chứa khí cạn kiệt (Raza và cộng sự, 2022) có thể là một giải pháp tiềm năng để cung cấp khả năng lưu trữ gigaton và sự hiện diện của cơ sở hạ tầng. Tuy nhiên, quá trình di chuyển của luồng hydro trong lòng đất và sự tương tác của nó với các hệ thống nước muối/đá phải được hiểu đầy đủ để có chiến lược bơm và rút hiệu quả (Aftab và cộng sự, 2022; Delshad và cộng sự, 2023; Zivar và cộng sự, 2021).
Nhìn chung, quá trình di chuyển và phân phối hydro được lưu trữ trong các cấu trúc dưới bề mặt rất phức tạp và bị ảnh hưởng đáng kể bởi các đặc tính giao diện như sức căng giao diện giữa đá và chất lỏng và khả năng thấm ướt của các hệ thống H2-nước-đá (Aghaei và cộng sự, 2023; Alhamad và cộng sự, 2023; Al-Yaseri và cộng sự, 2023a; Tariq và cộng sự, 2023). Các tính chất này rất quan trọng để ước tính khả năng lưu trữ H2 của đá chứa và rò rỉ H2 qua lớp niêm phong bên trên. Trong quá trình lưu trữ địa chất của H2 trong quá trình hình thành bên dưới bề mặt, nước muối và H2 có thể được mô tả là pha làm ướt và không làm ướt dựa trên các giá trị góc tiếp xúc. H2 được coi là pha làm ướt khi góc tiếp xúc tiến và lùi của nước muối rất cao (90-180o). Hashemi và cộng sự (2021) đã báo cáo rằng góc tiếp xúc (CA) giữa H2-nước muối-đá được đo bằng phương pháp bong bóng giam cầm đối với đá sa thạch Berea và Bentheimer dao động từ 25o đến 45o, không quan sát thấy mối tương quan rõ ràng giữa các giá trị CA với áp suất thay đổi (2-10 MPa) và nhiệt độ (293 K –323 K). Các nghiên cứu tương tự đã tính toán CA cân bằng cho đá muối H2 dựa trên mối quan hệ giữa mật độ khí và CA của các khí đã biết, chủ yếu là heli, nitơ, mêtan và CO2 (Al-Yaseri và Jha, 2021; Al-Yaseri và cộng sự, 2021; Al-Yaseri và cộng sự, 2022b). Các tập dữ liệu CA chỉ ra rằng đá vẫn ướt nước mạnh khi có mặt H2. Nhìn chung, các giá trị góc tiếp xúc nhỏ hơn 20° đối với bazan (Al-Yaseri và Jha, 2021) và nhỏ hơn 17o đối với đá phiến (Al-Yaseri và cộng sự, 2022b). CA muối H2 của khoáng sét (kaolinit, montmorillonit và illit) cũng thấp hơn 40o trong điều kiện địa lưu trữ. Kaolinit cho thấy xu hướng duy trì tính ưa nước lớn nhất so với montmorillonit (Al-Yaseri và cộng sự, 2021). Phù hợp với kết quả của Al-Yaseri và Jha (2021); Al-Yaseri et al. (2021); Al-Yaseri et al. (2022b) và Hashemi et al. (2021), kết quả mô hình hóa
Zeng và cộng sự (2023) gần đây đã chỉ ra rằng CA của thạch anh H2 không bị ảnh hưởng bởi những thay đổi về nhiệt độ và áp suất. Tương tự như vậy, Aghaei và cộng sự (2023) đã thực hiện một loạt các phép đo CA thực nghiệm cho các loại đá chủ và đá mũ khác nhau bằng cách sử dụng kỹ thuật bong bóng giam cầm ở nhiều áp suất khác nhau (3,44 - 17,23 MPa) và nhiệt độ (303 K và 348 K), trong đó CA được đo thay đổi trong khoảng từ 17° đến 30o, trong khi không có mối tương quan rõ ràng nào giữa các điều kiện thay đổi và các giá trị CA.
Các nghiên cứu này nhìn chung cho thấy rằng đá chủ và đá mũ có thể không đạt được trạng thái H2-ướt ở điều kiện lưu trữ địa chất do mật độ Hydro thấp, do đó không có tương tác đáng kể nào được mong đợi giữa bề mặt đá tinh khiết và các phân tử H2 trong UHS. Tuy nhiên, Ali và cộng sự (2021) đã báo cáo sự gia tăng đáng kể trong quá trình CA tiến và lùi khi các loại đá chứa được lão hóa trong nhiều loại axit hữu cơ khác nhau (axit stearic, axit hexanoic, axit lauric và axit lignoceric). Do đó, họ kết luận rằng có thể đạt được điều kiện H2 ướt khi xem xét đến tác động của tạp chất axit hữu cơ trong các bể chứa/đá (Ali et al., 2021a; Ali et al., 2022; Iglauer et al., 2021b). Ali et al. (2022) cũng báo cáo rằng quá trình tiến và lùi của nước muối/H2 trên mica ở 25 MPa lần lượt đạt 106,2° và 97,3° khi mica được lão hóa trong axit stearic 2-10 mol/L. Hosseini et al. (2022) và Iglauer et al. (2021b) đã báo cáo các giá trị CA H2 nước muối tương tự đối với canxit và thạch anh khi các chất nền được lão hóa trong nồng độ axit stearic tương tự.
Nghiên cứu của Esfandyari và cộng sự (2024) phát hiện ra rằng việc đưa CO₂ vào có thể làm thay đổi khả năng thấm ướt của đá chứa, có khả năng ảnh hưởng đến hiệu quả và độ an toàn của các hoạt động lưu trữ hydro. Ngoài ra, Esfandiari và cộng sự (2024) kiểm tra các đặc tính giao diện của một hệ thống bao gồm hydro (H₂), carbon dioxide (CO₂), đá bazan và nước muối và cho rằng CO₂ ảnh hưởng đến các đặc tính thấm ướt và độ bám dính của giao diện đá-nước muối, do đó ảnh hưởng đến hiệu quả và độ ổn định của quá trình lưu trữ hydro.
Alanazi và cộng sự (2023) đã đánh giá tác động của quá trình trộn khí cũng như axit hữu cơ vốn có trong các thành tạo địa lưu trữ đối với các giá trị CA H2-nước muối và CH4-nước muối trong đá phiến dầu Jordan. Họ phát hiện ra rằng đá phiến sét Jordan đạt trạng thái ướt H2 ở 323 K và 1600 psi. Sử dụng mô phỏng động lực học phân tử, Chen và cộng sự (2023) đã chỉ ra rằng ảnh hưởng của độ mặn đến sự phân bố H2 trên bề mặt siloxan là đáng kể, trong khi hiệu ứng này không đáng kể trên bề mặt gibbsite của kaolinit. Do những nghiên cứu này, có vẻ như khả năng thấm ướt của hệ đá nước muối H2 nói chung cho thấy CA tăng lên và đá trở nên ướt H2 ở áp suất cao và khi có nồng độ axit hữu cơ cao hoặc khi chiều dài chuỗi cacbon trong đá bị ô nhiễm axit hữu cơ cao. Tuy nhiên, khả năng thấm ướt của H2 trên nền đá nguyên chất có thể không thay đổi so với trạng thái ưa nước ban đầu do mật độ H2 thấp (Aghaei và cộng sự, 2023). Tuy nhiên, chỉ có một vài nghiên cứu được tiến hành để tìm hiểu tác động của hỗn hợp nhị phân CH₄ và CO₂ với hydro lên hành vi làm ướt của đá trong UHS. Điều này đặc biệt quan trọng khi xem xét việc lưu trữ hydro trong các bể chứa khí cạn kiệt, nơi chắc chắn có sự pha trộn giữa CH4 và CO2 tại chỗ và khí làm việc hydro. Trong nghiên cứu này, CH₄ và CO₂ được xem xét như các hỗn hợp nhị phân với hydro vì chúng có sẵn tự nhiên trong các bể chứa khí cạn kiệt hoặc được đưa vào một cách có chủ đích như các khí đệm để ổn định hệ thống lưu trữ. Các khí này có thể trộn lẫn với hydro được tiêm vào và ảnh hưởng đến sự tương tác của nó với các pha đá và nước muối, do đó ảnh hưởng đến động lực lưu trữ. Hơn nữa, xét đến việc CH4 và CO2 là các khí đệm tiềm năng cho H2 trong UHS do chúng có xu hướng làm ướt đá cao hơn, sẽ có các vùng trộn H2-CH4 và H2-CO2 giữa khí làm việc (H2) và khí đệm.
Theo hiểu biết của chúng tôi, ảnh hưởng của tạp chất CH4 và CO2 đến khả năng thấm ướt của hệ thống nước muối H2 trên đá chủ cacbonat và đá phiến ở điều kiện lưu trữ dưới bề mặt vẫn chưa được báo cáo. Do đó, nghiên cứu hiện tại đã điều tra tác động của việc trộn lẫn giữa khí tại chỗ/khí đệm (CH4 và CO2) và H2 được tiêm trong quá trình UHS đối với khả năng thấm ướt của hệ thống đá muối H2-cacbonat và đá phiến trong điều kiện lưu trữ. Điều này có thể cung cấp những hiểu biết quan trọng về quá trình di chuyển của chùm H2 trong đá phiến và tính toàn vẹn của đá phiến khi có khí đệm tiềm ẩn trong các bể chứa khí cạn kiệt.
Truy cập thông qua tổ chức của bạn
Kiểm tra quyền truy cập vào toàn văn bằng cách đăng nhập thông qua tổ chức của bạn.
Truy cập thông qua tổ chức của bạn
Đoạn trích phần
Chuẩn bị mẫu
Tổng cộng năm mẫu lõi được hiển thị trong Hình 1, bao gồm bốn đá cacbonat và một đá bốc hơi đã được lấy, với tư cách là đại diện của bể chứa và đá phiến, từ một địa điểm lưu trữ khí nổi tiếng ở miền bắc Iran.
đã được chuẩn bị và xác định đặc tính bằng nhiễu xạ tia X (XRD) (xem Hình 2) cho thấy dolomit và canxit là thành phần chính của đá cacbonat (Mẫu 1, mẫu 2, mẫu 3 và Mẫu 5), trong khi đá caprock là 100% anhydrit (Mẫu 4). Khoáng vật
Độ thấm ướt của hydro nguyên chất
Các phép đo góc tiếp xúc đối với H₂ nguyên chất trong hệ thống H₂/nước/đá được tiến hành ở nhiệt độ 30°C và 75°C dưới áp suất từ 3,44 MPa đến 17,23 MPa (xem Hình 4). Kết quả thu được cho thấy H₂ nguyên chất duy trì trạng thái ưa nước cao trong cả mẫu đá cacbonat và anhydrit. Ví dụ, ở 30°C, góc tiếp xúc đối với mẫu đá vôi (S-1) thay đổi từ 28° đến 27° khi áp suất tăng dần. Sự giảm nhẹ này cho thấy một sự thay đổi nhỏ về khả năng thấm ướt, nhưng
Kết luận
Trong nghiên cứu này, việc thêm 50% thể tích mol CH4 hoặc CO2 vào H2 tinh khiết được phát hiện không có tác động đáng kể đến khả năng thấm ướt của hệ thống H2/nước được đo trên các mẫu cacbonat và anhydrit ở các áp suất khác nhau (3,44-17,23 MPa) và nhiệt độ (30°C và 75°C). Các giá trị CA thu được cho hệ thống có tạp chất CO2 cao hơn một chút so với hệ thống có CH4 trong cùng điều kiện, chủ yếu là do mật độ CO2 cao hơn. Đá vẫn bị ướt nước mạnh
Công việc trong tương lai
Với ảnh hưởng đã được ghi nhận của độ mặn đến góc tiếp xúc, điều quan trọng là phải tiến hành một loạt các phân tích để hiểu cách các môi trường nước muối khác nhau có thể làm thay đổi khả năng thấm ướt bề mặt của đá khi có hydro hoặc các tạp chất khác. Do tính axit của nước rất quan trọng trong việc đo góc tiếp xúc, nên cũng đề xuất nghiên cứu tác động của độ pH của dung dịch để hiểu cách tính axit ảnh hưởng đến các đặc tính giao diện và tinh chỉnh hiểu biết về
Tài liệu tham khảo chưa trích dẫn
Bhandari và Shah, 2021, De Silva và Ranjith, 2012, Hashemi và cộng sự, 2022, Hou và cộng sự, 2023, Iglauer, 2022, Joodaki, 2021, Joodaki và cộng sự, 2020, McCay và Shafiee, 2020, Ni và cộng sự, 2019, Raza và cộng sự, 2017, Thaysen và cộng sự, 2023, Yekeen và cộng sự, 2022, Al-Mukainah và cộng sự, 2022
Tuyên bố đóng góp tác giả CRediT
Ali Toorajipour: Viết – đánh giá & biên tập, Viết – bản thảo gốc, Hình ảnh hóa, Phần mềm, Tài nguyên, Phương pháp, Điều tra, Phân tích chính thức, Quản lý dữ liệu, Khái niệm hóa. Hamed Aghaei: Viết – đánh giá & biên tập, Viết – bản thảo gốc, Hình ảnh hóa, Xác thực, Giám sát, Tài nguyên, Quản lý dự án, Phương pháp, Điều tra, Thu hút tài trợ, Phân tích chính thức, Quản lý dữ liệu, Khái niệm hóa. Behnam Shahsavani: Xác thực, Giám sát, Phương pháp,
Tuyên bố về lợi ích cạnh tranh
Các tác giả tuyên bố các lợi ích tài chính/mối quan hệ cá nhân sau đây có thể được coi là các lợi ích cạnh tranh tiềm tàng: Hamed Aghaei báo cáo rằng hỗ trợ tài chính được cung cấp bởi Quỹ khoa học quốc gia Iran (INSF). Nếu có các tác giả khác, họ tuyên bố rằng họ không có lợi ích tài chính cạnh tranh hoặc mối quan hệ cá nhân nào có thể ảnh hưởng đến công trình được báo cáo trong bài báo này.
Lời cảm ơn
Công trình này dựa trên nghiên cứu được tài trợ bởi Quỹ Khoa học Quốc gia Iran (INSF) theo dự án số 4001056. Các tác giả xin cảm ơn đội ngũ nhân viên phòng thí nghiệm trung tâm và trưởng khoa Kỹ thuật Hóa học và Dầu khí đã hỗ trợ.
