Clean offshore energy by hydrogen storage in petroleum reservoirs

Utslipp fra petroleumsproduksjon utgjør over 25% av Norges totale CO2-utslipp, og disse må reduseres betydelig for å nå Norges ambisjoner i Parisavtalen. En måte å redusere disse utslippene på er å gå over til fornybar energi for å drive alle operasjonene og offshore-plattformene. På grunn av den variable forsyningen av fornybar energi som vind og sol, er det imidlertid nødvendig å kunne lagre overskuddsenergi for å gjøre den tilgjengelig når produksjonsnivået synker (f.eks. om natten eller når vinden slutter å blåse). I dette prosjektet undersøker vi om energi, i form av hydrogen (H2), kan lagres trygt under bakken i ferdigproduserte olje- og gassreservoarer. Disse er allment tilgjengelige i Norge, og deres bruk for H2-lagring kan åpne for en fornybar offshore-fremtid for landet. Prosjektet involverer et nasjonalt team av verdenskjente eksperter innen geokjemi (kjemien til mineralreaksjoner i bergarter), geomekanikk (faststoffmekanikk brukt på porøse bergarter), materialvitenskap og reservoarstrømningsmodellering (studie av porevæskestrømmen i underjordiske bergarter) fra SINTEF, NORCE og Universitetet i Oslo, og en internasjonal forskningspartner fra Queen Mary University of London, en anerkjent ekspert innen oljefeltkjemi og strømning i porøse medier (som oljebærende bergarter). Gjennom eksperimenter og modellering vil teamet studere interaksjonen mellom H2 og bergarter i undergrunnen, reservoarstrøm og takbergartsintegritet. En student fra Ecole Polytechnique i Paris tilbrakte 4 måneder i SINTEF og så på tretthetseffekter på takbergart som tetter et reservoar, der det fylles og tømmes for H2 syklisk. Resultatene viser at det er viktig å ikke tømme helt reservoaret hver syklus, ellers deformeres områder rundt reservoaret mer og mer, med risiko for at bergarten går i brudd, og en potensiell lekkasjevei oppstår. Nye simuleringer ble kjørt i 2024 og viser samme konsentrasjon av deformasjon i flankene av lagringsstedet, men gir mindre uttrykk til at kappebergarten kan gå i brudd. I den nye modellen, ble anisotropien til kappebergarten tatt i beregning; dette tilsier forskjellige egenskaper i forskjellige retninger. De nye resultatene har blitt presentert i et hydrogenseminar i Oslo i april 2024 organisert av prosjektets postdoc i UiO, M. Masoudi. Der ble også andre resultater fra prosjektet presentert, nemlig SINTEF Digital sin modellering av hydrogens løselighet i vann og saltvann. Dette er viktig for å kunne beregne hvor mye gass som løses inn i porevannet i lagringsreservoaret, og hvor mye hydrogen som kan hentes ut igjen ved behov for hvert injeksjonssyklus. Fra NORCE ble deres arbeid rundt sammenligning av programvare for å simulere hydrogenstrømning i porøse reservoar presentert. UiO har i prosjektet kjørt eksperimentelt arbeid hvor hydrogen adsorpsjon i kappebergartsprøver har blitt målt. Resultatene viser at det er viktig å kontrollere for vannmetningen i prøvene, siden den har stor påvirkning på diffusjon og adsorpsjon av hydrogenet. To masterstudenter fra Bremen i Tyskland, kjørte H2-eksponering av sandsteinprøver hentet fra Sokkeldirektoratet i Stavanger. De analyserte prøvene etter eksponering ved XRD, røntgendiffraksjon, en metode som gir informasjon om mineralinnhold ved å måle hvor mye strålingen bøyes av materialet som funksjon av hvilke krystaller strålen har passert gjennom. En ny Masterstudent fra Ecole Polytechnique i Paris kjørte skiferprøver gjennom eksponering til hydrogen, også de fra Sokkeldirektoratet, fra takbergartkjerner. En mer omfattende testplan var brukt, der i tillegg til diffraksjonstester, fluorescens og kombinert fluidkromatografi med massespektrometri ble kjørt ved NTNU. De to addisjonelle testene gir informasjon om elementære atomer som befinnes i prøvene, og mineraler som kan ha blitt skylt i porevæsken som er fortrengt ut av prøvene gjennom eksponeringen. I tillegg ble referansetester kjørt med inert argongass i stedet for hydrogen. Til slutt, ble prøvene utsatt for "punch"-testing, dvs utskjæring av en sylinder mens kraften som trengs til det og deformasjonen som oppstår er målt og gir anledning til å beregne skjærstyrken til materialet. Samme prøvene ble også karakterisert ved måling av ultralydhastighet, både med trykk- og med skjærbølger hos SINTEF. Resultatene viser at det er forskjell mellom referanseprøvene og de som ble eksponert til hydrogen, mer for sandstein enn skifer, selv om forskjellene er små. Viderearbeid med resultatanalyser gjenstår.

Emissions from petroleum production stand for over 25% of Norway's total CO2 emissions, and these must be significantly reduced for the country to reach its ambitions in the Paris Agreement. Powering offshore platforms by renewables is thus an important goal, but it relies on large-scale energy storage options for balancing out the mismatch between power supply and demand. In the present project we investigate whether energy, in the form of hydrogen (H2), can be stored safely underground in depleted oil and gas reservoirs. These are widely available in Norway, and their use for H2 storage can open for a renewable offshore future for the country by powering petroleum platforms. The project involves a national team of world-renowned experts in the fields of geochemistry, geomechanics, materials science and reservoir flow modelling from SINTEF, NORCE and the University of Oslo, and an international research partner from Queen Mary University of London, an acclaimed expert in oilfield chemistry and flow in porous media. Through experiments and modelling, the team will study the fundamental geochemical effects of H2 in the subsurface, reservoir flow and caprock integrity. This will give a first indication on whether future, more applied, research projects should be initiated on the topic.