Abstracts

In this thesis the major differences between underground hydrogen storage and the conventional storage of natural gas are lined out to be bio-reactive and gas mixing phenomena. A new mathematical model was developed to describe the coupling between two-phase flow and microbial populations which consume hydrogen for their metabolism. Different analytical and numerical techniques were applied to investigate the storage of hydrogen in the geological subsurface. An analytical solution was derived for gravity-driven multi-component two-phase flow in heterogeneous porous media. Oscillating scenarios, similar to Turing instability, were detected. Storage scenarios were simulated including a field scale demonstration in a realistic geological model. Im Zusammenhang mit der Energiewende sind groe Mengen an Speicherkapazitt erforderlich, um die stark fluktuierende Energieerzeugung durchWind- und Solarkraftwerke zu integrieren. Die Umwandlung von elektrischer Energie in chemische Energie in der Form von Wasserstoff ist eine der technischen Mglichkeiten. Die Technologie der Untergrundwasserstoffspeicherung,wobei Wasserstoff in unterirdischen Gesteinsformationen, hnlich wie bei der Speicherung von Erdgas, gespeichert wird, ist derzeit ein Forschungsschwerpunktmehrerer europischer Lnder. Wasserstoff hat eine sehr geringe Dichte und Viskositt. Folglich wird einehohe Tendenz fr eine instabile Verdngung erwartet, einschlielich einer gravitationsbedingten Segregation und der Bildung von viskosen Fingern. Zustzlich knnen biochemische Reaktionen eine wichtige Rolle in Untergrundwasserstoffspeichern spielen. Die Tatsache, dass Wasserstoff ein geeignetes Substrat fr viele anaerobe mikrobielle Spezies ist, regt ihr Wachstuman und fhrt zu einer Umsetzung des Wasserstoffs. Insbesondere kann dieAktivitt von methanogenen Archaeen zu drastischen Vernderungen in der Zusammensetzung des Gases fhren, wie es bei einigen ehemaligen Stadtgasspeichernbeobachtet wurde. Um das hydrodynamische und biochemische Verhalten in Untergrundwasserstoffspeichern zu untersuchen, wurden unterschiedliche analytische und numerische Methoden angewandt. Die schwerkraftgetriebene Verdrngung, wenn Wasserstoff am Boden einerwassergesttigten Lagersttte injiziert wird, wurde analytisch modelliert. Die analytische Lsung ist durch Kombination der Methode der Charakteristikenund einer grafischen Konstruktion hergeleitet worden. Die exakte Aufstiegsgeschwindigkeit wurde fr verschiedene geschichtete Lagersttten und fr Fluidphasen aus zwei und drei Komponenten bestimmt. Vergleiche mit der numerischen Lsung werden ebenfalls gezeigt. Daber hinaus wurdeein mathematisches Modell fr den bioreaktiven Transport in Untergrundwasserstoffspeichern entwickelt. Das Modell ist auf der Kontinuumsskala formuliert und koppelt die Mehrkomponenten-Zweiphasenstrmung mit mikrobiellemWachstum und biochemischen Reaktionen innerhalb des porsen Mediums. Die Stabilitt des mathematischen Modells ist untersucht worden, indem es auf ein Paar vonAdvisors/Committee Members: Ganzer, Leonhard, Panfilov, Mikhail, Gaupp, Reinhard, Hilfer, Rudolf.