Molecular Modeling of Subsurface Hydrogen: Behavior and Interactions with Clays. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Ziad_Dissertation_FV) Ziad_Dissertation_FV.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 20 May 2027. Download (3MB)

Arabic Abstract

يهدف هذا البحث إلى تقييم سلوك الغازات الغنية بالهيدروجين وتفاعلها داخل التكوينات الجيولوجية الدقيقة، وذلك بهدف دعم تطوير وتطبيق تقنيات تخزين الهيدروجين تحت الأرض. تُمثل المعادن الطينية، خصوصًا الإلايت والمونتموريلونايت والأنظمة الطينية المختلطة، مكوّنًا رئيسيًا في طبقات الخزان والصخور الغِطائية، وتمتلك خصائص بنيوية وسطحية تؤثر مباشرة على قدرة الاحتجاز والانتقال والنفاذية وانتشار الغازات تحت ظروف الضغط ودرجة الحرارة العالية. يقدم هذا العمل منهجية محكمة تعتمد على محاكاة الجهد الكبير (GCMC) ومحاكاة الديناميكا الجزيئية (MD) باستخدام مجال قوى هجين مطوّر خصيصًا لتمثيل تفاعلات الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون والميثان ضمن المسامات الضيقة التي تتراوح أبعادها بين 1 نانومتر و3 نانومتر. وتشمل الدراسة تحليل السلوك الامتصاصي للغازات المفردة، والتنافس الامتصاصي في أنظمة ثنائية وثلاثية المكوّنات، إضافة إلى تقييم تأثير حجم المسام ونوع المعدن، وكذلك التدرجات التركيبية في الأنظمة الطينية المختلطة. أظهرت النتائج أن الهيدروجين يمتلك قدرة امتصاصية ضعيفة نسبيًا مقارنة بثاني أكسيد الكربون والميثان، في حين يبقى ثاني أكسيد الكربون المكوّن المسيطر على الامتصاص عبر جميع المعادن وأحجام المسامات، مما يؤدي إلى إزاحة شبه كاملة للهيدروجين حتى عند وجود تركيزات منخفضة من ثاني أكسيد الكربون. كما تبين أن المعادن الغنية بالمونتموريلونايت تُظهر سعة امتصاصية أعلى بسبب الشحنة الطبقية المرتفعة وإمكانية الوصول الأكبر للمسامات البينية، بينما تعتمد استجابة الأنظمة الطينية المختلطة على نسب المزج البنيوي بين الإلايت والمونتموريلونايت. تساهم هذه النتائج في فهم آليات التخزين تحت الأرض وتحسين تصميم مواقع تخزين الهيدروجين، إذ توضح أن الاحتجاز السطحي للهيدروجين محدود، وأن سلامة التخزين تعتمد بدرجة أكبر على الخصائص الجيوميكانيكية والانتشارية للصخور الغطائية. كما توفر الدراسة أساسًا علميًا لتطوير نماذج متعددة المقاييس قادرة على التنبؤ بسلوك الهيدروجين والغازات المصاحبة خلال فترات التخزين الطويلة.

English Abstract

Underground hydrogen storage (UHS) is emerging as a cornerstone of large-scale energy transition strategies, yet its long-term feasibility depends critically on the capacity of clay-rich caprocks to retain hydrogen and limit upward migration. Clay minerals such as illite and montmorillonite (MMT), along with their natural mixed-layer assemblages, dominate the sealing units of sedimentary basins and exert strong controls on molecular-scale gas interactions. However, fundamental knowledge gaps persist regarding hydrogen adsorption in these minerals, the behavior of competitive gas mixtures containing carbon dioxide (CO₂) and methane (CH₄), and the extent to which clay mineralogy and pore structure influence storage security. This work addresses these gaps through the development of a hybrid force field tailored for accurate representation of clay–fluid interactions, followed by grand canonical Monte Carlo (GCMC) simulations conducted at 350 K and pressures of 3.45–13.79 MPa (500–2000 psi). Adsorption behavior is systematically evaluated across pore sizes of 1 nm and 3 nm, gas compositions ranging from single-component H₂, CO₂, and CH₄ to binary and ternary mixtures, and mineralogical configurations including pure illite, pure MMT, and mixed-layer illite–MMT systems. Results show that hydrogen adsorption is intrinsically weak and becomes negligible in the presence of CO₂, even when CO₂ constitutes only a small fraction of the gas mixture. CO₂ consistently dominates adsorption due to its strong quadrupolar interactions and supercritical density at storage conditions, forming stable monolayer and multilayer structures that displace both hydrogen and methane. Pore size amplifies this behavior: while wider pores increase adsorption for single gases, they enhance CO₂’s competitive advantage in multicomponent systems. Mineral mixing exerts only minor influence, with mixed-layer clays exhibiting intermediate but not fundamentally different behavior from pure minerals. These findings demonstrate that adsorption does not provide an effective trapping mechanism for hydrogen in clay-rich caprocks. Consequently, UHS containment must rely primarily on capillary sealing, and structural integrity rather than adsorption-based retention. The work concludes with recommendations for multiscale modeling, and site-selection strategies aimed at improving the reliability and safety of future hydrogen storage operations.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Petroleum
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Petroleum Engineering
Thesis Advisor:	Abdullah Al-sultan,
Thesis Co-Advisor:	Ahmed Yaseri,
Thesis Committee Members:	Mohamed Mahmoud, Saad Afnan,
Depositing User:	ZIAD SIDAOUI (g200832860)
Date Deposited:	02 Jun 2026 11:39
Last Modified:	02 Jun 2026 11:39
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144439