原文信息：
Feasibility analysis of liquid CO2 injection and sequestration as hydrates in South China Sea marine sediments over 100 years
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.125068
Highlights
• 开发了考虑多孔介质中CO2运移与CO2水合物相变的热-流-化多场耦合代码
• 验证了基于南海海底沉积物的水合物法CO2封存100年的封存演化特性
• 揭示了液态CO2、CO2水合物与溶解态CO2的时空运移演化规律
• 对盐度、渗透率、热导率关键参数对封存总量和封存效率的影响进行了敏感性分析
Abstract
Hydrate-based CO2 sequestration (HBCS) is proposed as a promising way for storing large amounts of CO2 in solid hydrate form in marine sediments for climate mitigation. However, the interplay of liquid CO2 injection, liquid and dissolved CO2 migration, and the long-term stability of the formed CO2 hydrates in marine sediments at field-scale remain unclear and warrant investigation. To this end, we develop an in-house thermo-hydro-chemical (T-H-C) coupled numerical code for analysis of the liquid CO2 injection and CO2 hydrate formation processes in silty sandy medium in South China Sea. The fate of the injected liquid CO2 and the spatial and temporal evolution of CO2 hydrate, liquid CO2 and the dissolved CO2 are analyzed in details for the five-year CO2 injection stage and the 100-year CO2 sequestration stage. Moreover, we design a 3-by-3 sensitivity analysis on key formation thermophysical properties, i.e., permeability (k), salinity (Xs) and thermal conductivity (λwet) to elucidate their effects on CO2 hydrate stability and the CO2 sequestration efficiency. Only a small fraction of CO2 hydrate (mass ratio of 0.8%) is formed during CO2 injection and the continuously growing CO2 hydrate cap over the 100 years is the primary CO2 storage medium. The formation of the low-permeable CO2 hydrate cap effectively restricts the upward migration of liquid CO2, while dissolved CO2 exhibits an extensive vertical migration above the CO2 hydrate cap. The conversion of CO2 hydrate from liquid CO2 increases with increasing λwet, but decreases with increasing k and Xs, following the order of significance of Xs > λwet > k. The results of this study provide important guidance for the site selection and the operational design in future large-scale HBCS adoption in South Chin Sea.
Keywords
CO2 sequestration
CO2 hydrate
CO2 injection
Feasibility analysis
Long-term stability
South China Sea
Graphics
图1 论文图形摘要
图2 自主研发程序HBCS_SC v1.0中热-流-化多场耦合机制示意图
图3 HBCS_SC v1.0数值计算流程图
图4 HBCS_SC v1.0的主变量转换法中不同相态组合的转化准则
图5 注入-封存数值模型示意图（CHSZ：CO2水合物相平衡稳定区；CHUZ：CO2水合物热力学分解区）
图6 注入阶段（0-5年）P，T，SH，SCO2-L，XACO2和Xs的时空演化规律
图7 封存阶段（5-100年）P，T，SH，SCO2-L，XACO2和Xs的时空演化规律
图8 三相CO2质量与质量占比演化规律
图9 （a）水合物相CO2质量占比（RCO2-H），（b）CO2水合物分布面积（ACO2-H）和（c）溶解态CO2分布面积（ACO2-D）的主效应图与帕累托图
团队介绍
通信作者简介：
殷振元：清华大学深圳国际研究生院副教授、特别研究员、博士生导师，THU天然气水合物与储碳实验室PI，I&EC Research 2023年最具影响力研究者、广东省“珠江计划”青年拔尖人才、深圳市海外高层次人才。博士毕业于新加坡国立大学化学与分子生物工程系，长期从事气体水合物热动力学与多场耦合基础研究，应用于天然气水合物开采及水合物法应用技术（二氧化碳封存、LNG冷能输运与固化储氢等）。在能源领域权威期刊发表学术论文90余篇，论文被引用3400余次，H指数29，包括7篇ESI高被引论文与5篇期刊封面论文，2022-2024年连续三年入选斯坦福-爱思唯尔全球前2%顶尖科学家（年度影响力榜单），担任Gas Science and Engineering、Advances in Applied Energy、Fundamental Research、Carbon Neutrality、天然气工业等期刊及水合物专刊编委及青年编委。主持国家自然科学基金、广东省自然科学基金重点项目、广东省自然科学基金面上项目、广东省自然资源厅海洋产业六大专项、深圳市自然科学基金面上项目、深圳市国际合作项目等20余项横纵向项目，受理授权发明专利20余件，其中多项应用于产业化项目中。
第一作者简介：
顾宇航：清华大学深圳国际研究生院2023级博士生，环境科学与工程专业，研究方向为热-流-化多场耦合数值模拟方法与优化。已发表SCI论文15篇（第一作者5篇），申请发明专利3件、软件著作权1项
课题组介绍：
本实验室成立于2020年，主要开展气体水合物热动力学基础与多场耦合实验与模拟研究。目前已搭建多尺度气体水合物宏-细-微观高压实验设备20余台套，已开发多场耦合数值模拟代码多套，应用于海洋资源与环境方向的研究，包括天然气水合物开采与调控、海洋碳捕获与碳封存、水合物法储氢、LNG冷能利用等方向。课题组常年招收博士后、硕博士生与科研助理，欢迎有志者联系。
实验室项目合作与招聘联系邮箱：zyyin@sz.tsinghua.edu.cn
关于Applied Energy
本期小编：蔡吉祥；审核人：朱莲峰
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