Solutal convection in two-dimensional porous media

Abstract

Kohlendioxid zählt zu den klimawirksamsten Treibhausgasen, dessen steigender Gehalt in der Atmosphäre die Erderwärmung immer weiter vorantreibt. Um die Umstellung auf ausschließlich erneuerbare Energien in der Stromerzeugung zu erleichtern indem weiterhin fossile Brennstoffe verwendet werden oder den Abgasausstoß stark emmittierender Industrieprozesse zu mindern gibt es die Möglichkeit der sogenannten CO2-Abscheidung und Speicherung oder CCS (englisch für Carbon Dioxide Capture and Storage). Dabei wird das CO2 in superkritischen Zustand gebracht und in tief unter der Erde liegende geologische Formationen eingebracht. Im superkritischen Zustand flüssig, vermischt es sich mit in den Formationen schon vorhandener Sole (Wasser mit einer hohen Konzentration an Salz). Der Auflösungsprozess produziert eine Lösung, die eine höhere Dichte aufweist, als die beiden Flüssigkeiten alleine und somit von der Schwerkraft nach unten gezogen wird, was die Sicherheit der Lagerung stark erhöht. Um eine bessere Abschätzung der Mechanismen und Zeiträume der Strömungsentwicklung zu bekommen können computergestützte Berechnungen durchgeführt werden, die die Vorkommnisse simulieren.In dieser Arbeit wird deshalb der Prozess der lösenden Konvektion in einer zweidimensionalen Domäne simuliert. Die Einbringung erfolgt von der oberen Grenze, die untere Grenze wird durch eine Undurchlässigkeitsbedingung definiert (einseitige Konfiguration). Die Vorgänge werden für unterschiedliche Reservoirgrößen und Gitterauflösungen simuliert, um die zeitlich abhängige Entwicklung der Strömung, die Größen der entstehenden Strömungsstrukturen und Mischungsmaße näher zu betrachten. Die gute Übereinstimmung der erhaltenen Ergebnisse mit bereits veröffentlichten Resultaten ermöglicht die Erweiterung zu dreidimensionalen Untersuchungen des Problems in der Zukunft.

Carbon dioxide is one of the most effective green house gases, promoting global warming with its increasing atmospheric concentration.To reduce the amount of CO2 present in the atmosphere, and emitted primarily by fossil fuel combustion, there is the possibility of Carbon Dioxide Capture and Storage (CCS).This entails the injection of supercritical CO2into deep geological formations.Being liquid in its supercritical state, liquid CO2 dissolves and mixes with the brine (i.e. water with a high concentration of salt) already present in these reservoirs.The dissolution process produces a solute that is heavier than brine, and that falls down by gravity, making it attractive for the permanent CO2 storage. However, the efficiency of the process, and its correct prediction via suitable numerical simulations is still to be fully understood.For this reason, in the present thesis, we simulate the process of solute convection in a two-dimensional domain, assuming solute injection from the top boundary, and impermeable conditions at the bottom boundary (one-sided configuration).Simulations are run for different reservoir sizes and grid resolutions, in order to assess the quality of the results by looking at the time-dependent flow development - including flow structure sizes, and measures of mixing.Current results compare well with literature results, and pave the way for future three-dimensional investigations in the field.