CBM and CO 2-ECBM related sorption processes in coal

Gensterblum, Yves; Littke, Ralf

doi:32703

CBM and CO 2-ECBM related sorption processes in coal = Sorptionsprozesse in Flözgaslagerstätten

Gensterblum, Yves

2013

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Yves Gensterblum

ImpressumAachen 2013

Umfang297 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Littke, Ralf (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-06-04

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-48038
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/228647/files/4803.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Flözgas (Genormte SW) ; Adsorption (Genormte SW) ; Kohle (Genormte SW) ; Methan (Genormte SW) ; Wasser (Genormte SW) ; Kohlendioxid (Genormte SW) ; Thermodynamik (Genormte SW) ; Naturwissenschaften (frei) ; Kohleflözgas (frei) ; Sorptionsprozesse (frei) ; unkonventionelle Gaslagerstätten (frei) ; Coalbed methane (frei) ; sorption (frei) ; thermodynamics (frei) ; water (frei) ; carbon dioxide (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 500

Kurzfassung
Der weltweite Energieverbrauch steigt kontinuierlich. Erdgas stellt wegen seiner hohen Energiedichte und des vergleichsweise geringen Kohlenstoffanteils eine ausgezeichnete Alternative zu Erdöl und Kohle dar. Wegen des Rückgangs der Förderung aus konventionellen Gaslagerstätten, ist die Erkundung und Nutzung unkonventioneller Erdgaslagerstätten in den letzten Dekaden zunehmend in den Fokus gerückt. Die Injektion von CO2 in unkonventionelle Lagerstätten wird aufgrund theoretischer Betrachtungen als Möglichkeit zur Steigerung der Methangasausbeute gesehen. Zugleich könnte das verwendete CO2 auf diese Weise durch Adsorption dauerhaft gespeichert werden. Die Identifizierung und Erforschung der molekularen Prozesse bei der Sorption an organischem Material verschiedener thermischer Reifestadien und der Einfluss von Wasser auf die Sorption, am Beispiel der Flözgasförderung sind Gegenstand dieser Doktorarbeit. Einleitend würde eine umfassende Literaturstudie zur Sorption von CO2 und CH4 an Kohlen und dem Einfluss von sorbiertem Wasser durchgeführt und veröffentlicht. Die CO2 und CH4 Sorptionskapazität von trockenen Kohlen hat einen parabolischen Verlauf mit zunehmender Reife mit einem Minimum bei ca. 1% bis 1.2% Vitrinitreflektion. Bei feuchten Kohlen beobachtet man eine lineare Abhängigkeit zwischen CH4 und CO2 Sorptionskapazität und der Reife der Kohle. Die detaillierten Trends werden im ersten einleitenden Kapitel vorgestellt. Auf der Basis dieser Literaturstudie wurde ein Messplan entwickelt, mit der Zielsetzung, die CH4 und CO2 Sorptionsprozesse, den Einfluss von sorbiertem Wasser und die dazugehörigen thermodynamischen Grundgrößen wie Enthalpie und Entropie zu bestimmen. Aus diesen Messdaten und publizierten molekulardynamischen Simulationen konnte ein molekulares Konzept entwickelt werden, das die experimentellen Beobachtungen zu den Sorptionsprozessen sowie den Einfluss von sorbiertem Wasser auf diese Prozesse erklärt. Zur Bearbeitung dieser wissenschaftlichen Fragestellungen wurden CH4 und CO2 Sorptionsisothermen an verschiedenen thermisch-reifen Kohlen bestimmt. Die Nähe der Messbedingungen zu den kritische Kenngrößen (Druck und Temperatur) von CO2 stellt eine mess- und regelungstechnische Herausforderung dar. Um eine hohe Qualität und reproduzierbarkeit der Sorptionsisothermen sicherzustellen wurde eine zwei-phasige internationale Vergleichsstudien (Ringversuche) unter Beteiligung verschiedener internationaler Arbeitsgruppen durchgeführt. In der ersten Phase konnten grundlegende methodische Probleme geklärt und ausgeräumt werden. In der zweiten Phase standen die Eigenschaften und experimentelle Schwierigkeiten von natürlichen Kohleproben im Vordergrund. In mehreren Workshops wurden Empfehlungen und methodische Optimierungsmöglichkeiten für die Bestimmung der CO2 Sorptionskapazität von Kohlen erarbeitet. Die Ergebnisse der Studien sind in Kapitel 2 und 3 erläutert. Mit dieser verbesserten Methode wurde der Messplan, welcher auf der Basis der einführenden Literaturstudie aus dem ersten Kapitel erarbeitet wurde, durchgeführt. Die Ergebnisse und Schlussfolgerungen werden in Kapitel 4 erläutert. Zusammenfassend läßt sich Schlussfolgern, die sauerstoffenthaltenden Funktionalen-Gruppen sind für die sorbtiven Eigenschaften von unreifen Kohlen verantwortlich. Verschwinden diese durch zunehmende Inkohlung mit zunehmender Kohlereife, verschwinden auch der Effekt das durch bereits sorbiertes Wasser die CH4 und CO2 Sorptionskapazität reduziert wird. Im fünften Kapitel werden die experimentellen Ergebnisse detailliert vorgestellt und diskutiert. In Kapitel 6 wird ein Konzept für die Anwendung der experimentellen Daten und ihren thermodynamischen Grundgrößen im Rahmen der geologischen Entwicklung einer unkonventionellen Gaslagerstätte gezeigt. Der Fokus hierbei, liegt auf der thermodynamischen Abschätzung von Methangassättigung, Förderpotential sowie dem CO2 Speicher- und Stimulationspotential. Aus diesen, ausschließlich auf thermodynamischen Überlegungen basierenden Ergebnissen, lässt sich ableiten, dass Kohleflöze in Sedimentbeckensysteme mit niedrigen thermischen Gradienten generell besser für die Förderung von Methan geeignet sind. Im relevanten Temperatur- und Druckbereiche ist der dominante Speichermechanismus die Sorption von Methan. In der offenen Porosität komprimiertes sowie gelöstes Gas stellen dagegen nur geringe bzw. vernachlässigbare Speicherkapazitäten für Methan zur Verfügung. Drittens, um die gleiche Menge Methan zu fördern benötigt man bei Lagerstätten mit unreiferen Kohlen eine geringere Absenkung des Porendrucks als bei höher reifen Kohlen. Abschließend lässt sich aus den thermodynamischen Betrachtungen folgern, dass eine erhebliche Untersättigung eines Kohleflözes mit Methangase allein durch die beckengeschichtliche Hebung in den meisten Fällen nicht zu erwarten ist.

Unconventional gas, such as shale gas, tight gas or coalbed methane is able to offer a new and attractive perspective for low-carbon fuel supply. Furthermore, they may provide possibilities for CO2-storage and coevally for enhanced gas recovery. This is suggested by theoretical considerations of displacing the adsorbed methane by a more strongly adsorbing gas such as CO2. Optimizing the development of these unconventional resources, while minimizing their environmental impact, requires a more fundamental understanding of the coupled physico-chemical processes involved. In order to better understand the interaction of gas and water with coal of different maturity, a measuring plan has been developed and executed. The general observation is that CO2 and CH4 sorption capacity of dry coals shows a parabolic trend with rank with a minimum between 1.1 and 1.3% vitrinite reflectance. The CH4 and CO2 sorption capacity of moist coals, in contrast, shows a linear increase with increasing maturity. The sorption capacity ratio of CO2 and CH4 for dry coals has an approximately constant ratio of 2 over the entire maturity range. For moist coals this ratio is higher at low maturity values and decreases to values around 2 with increasing maturity. The highest CO2 to CH4 sorption capacity ratios are observed at low surface coverage. Based on the literature review an extended measuring concept was developed to investigate the competitive interaction between sorbed water and gases such as CH4 and CO2. The determination of the required high-precision CO2 sorption isotherms is challenging because in the temperature and pressure range of interest (T=308-350K) the density of supercritical CO2 increases rapidly with increase pressure. To improve the reliability of the sorption measurements, an inter-laboratory comparison between different European research institutes has been conducted (Chapters 2 and 3). During the first inter-laboratory comparison the comparability between the manometric and the gravimetric sorption methods was demonstrated. In the second inter-laboratory test the properties of natural coal sample and their influence on the accuracy of the measurements was investigated. The observed excess sorption maxima for coals are 1.77±0.07, 1.37±0.02 and 1.41±0.02 mol kg-1 in the order of increasing vitrinite reflectance. A decrease of the pressure at maximum excess sorption has been observed from lignite to bituminous coal to semi-anthracite. This shift varies from roughly 6.89±0.5 MPa, 6.68±0.4 MPa, down to 5.89±0.6 MPa in the order of increasing vitrinite reflectance. These could be related to an increase in micropore volume. Furthermore, these chapters contain recommendations and best practice rules for CO2 sorption isotherm measurements on coals. During the subsequent phase of the PhD project the competitive interaction between sorbed water and gases such as CH4 or CO2 was investigated (Chapter 4). A conceptual model was developed explaining CO2 and CH4 sorption on coal as a function of rank and the interaction mechanism of adsorbed water molecules. The adsorption behaviour of CH4 and CO2 was studied on a sequence of coal samples, covering the maturity range from 0.5 up to 3.3% vitrinite reflectance. A deeper understanding of the physical processes of the competitive sorption of CH4, CO2 and water has been achieved. Based on the thermodynamic description of the experimental observations presented in this thesis, the conceptual molecular model has been improved, by combining experimental data and published molecular dynamic simulations. The proposed molecular concept clarifies the thermodynamic process of CH4 and CO2 sorption on coals, the three fundamental kerogen types and the effects of adsorbed water. The main parameters controlling ultimate gas recovery from coalbed methane (CBM) deposits are the natural cleat permeability and the total gas content. Among the three gas storage mechanisms (compressed gas in the open porosity, dissolved gas in the formation water and sorbed gas), sorption is the dominant mechanism for CBM reservoirs. Sorption behaviour changes with coal rank, but also with temperature and pressure and hence with burial history. The fundamental understanding of the thermodynamics of CH4 sorption capacity as a function of temperature and pressure is a prerequisite for assessing methane saturation in CBM reservoirs (Chapter 6). The results of this study lead to the conclusion that the geothermal gradient is much more important than the hydrostatic pressure gradient for the CH4 sorption capacity as a function of depth. For CBM as well as CO2-ECBM activities a low geothermal gradient is favourable. Furthermore, a low-rank coal deposit requires a lower pressure draw-down than high rank coal deposits to desorb an equivalent amount of methane. The study of the thermodynamics of adsorption suggests that it is more likely to observe under-saturated CBM reservoirs in high rank than in low rank coal deposits.

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