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Thermodynamique du stockage d'hydrogène en cavité saline

Thermodynamique du stockage d'hydrogène en cavité saline

Thermodynamics of hydrogen storage in salt cavities

Proposition de thèse

Spécialité

Géosciences et géoingénierie

Ecole doctorale

GRNE - Géosciences, Ressources Naturelles et Environnement

Directeur de thèse

SELLAMI Hedi

Co-directeur de thèse

COQUELET Christophe

Unité de recherche

Géosciences

ContactMurad abuaisha
Site Web
Mots-clés

Thermodynamique, mécanique des solides, modélisation numérique

Thermodynamics, mechanics of solids, numerical modelization

Résumé

Dans le cadre de la transition énergétique, l'hydrogène est considéré comme une source d'énergie renouvelable offrant des perspectives prometteuses et présentant de nombreux avantages sur les plans énergétique (haut potentiel calorifique, transport efficace, ressource théoriquement illimitée) et environnemental (pas d'émissions de CO2 lors de sa combustion). Ce gaz pourrait être produit par différentes méthodes (pyrolyse, gazéification du charbon, reformage de méthane, électrolyse de l'eau en réacteurs nucléaires à haute température). Son stockage en grands volumes dans des cavités souterraines est considéré comme une solution viable. Le recours à des cavités à grandes dimensions créées par lessivage dans des formations salines profondes offre la possibilité du stockage massif de ce gaz sous haute pression.
En dépit du retour d'expérience sur le stockage thermodynamique, la problématique du stockage de l'H2 en cavités salines est différente de celle des autres stockages souterrains de gaz tels que le CH4 ou le CO2. Ceci est dû à la grande mobilité de ce gaz induite par sa très petite taille moléculaire, et sa réactivité potentielle avec certaines espèces chimiques qui sont présentes dans l'environnement du stockage.
Le Centre de Géosciences et le Centre de Thermodynamique et procédés (CTP) de MINES ParisTech sont associés avec des partenaires académiques et industriels dans une recherche visant à mieux comprendre les mécanismes mis en jeu lors du stockage de l'H2 en cavité saline profonde et à développer des outils de modélisation numérique destinés à évaluer le comportement de ce système complexe de stockage et sa viabilité économique ainsi que son impact environnemental.
La thèse proposée s'inscrit dans ce cadre, elle porte sur l'adaptation d'outils de simulation numérique existant pour le stockage saisonnier de gaz naturel, à la problématique du stockage de l'H2 en cavité saline avec des cycles rapides d'injection/soutirage. Ceci passe par la formulation de lois, à partir de mesure en laboratoire, régissant l'interaction de l'H2 avec la roche saline et les fluides salins au sein de la cavité, par l'implémentation de ces lois dans des modèles numériques multi-échelles pour décrire et prédire le comportement thermo-hydro-mécanique et géochimique de l'hydrogène dans des cavités salines et leur encaissant. Ces modèles seront appliqués, d'une part, pour mettre en évidence les améliorations apportées par rapport aux approches usuelles et, d'autre part, pour évaluer la réponse de la cavité à des cycles rapides d'exploitation ainsi que pour identifier des scénarios types de stockage de l'H2 et évaluer les risques associés.

Hydrogen is considered as a renewable energy resource that gives promising perspectives and presents numerous advantages on the energy and on the environment future. This gas can be produced in different ways, i.e. gasification of carbon. It can be also stored in large underground salt cavities under high pressure values, which is considered as a viable solution.
Despite the experience feedback on the thermodynamic storage of gas, the problem of H2 storage in salt cavities is different from other problems of underground storage related to other gases like methane CH4 or carbon dioxide CO2. This is attributed to the large mobility of hydrogen induced by its very small molecular length, and its potential reactivity with other chemical species that can be present in the storage environment.
The centre of geosciences and the centre of thermodynamics and processes (CTP) of Mines ParisTech, associated with academic and industrial partners, are involved in a scientific research that seeks to better understand the mechanisms taking place during hydrogen storage in deep underground salt cavities. This involvement also includes the development of numerical modelization tools dedicated to evaluate the behaviour of such a complicated system of storage, as well as its economic viability and environmental impact.
The proposed PhD subject serves this framework, it aims at adapting the already-existing simulation tools for seasonal storage of natural gas, to the problem of H2 storage in salt cavities with fast cycles of injection and withdrawal. This happens by firstly forming the laws, emitting from laboratory measurements, governing the interaction of H2 with the salt rock and the brines in the body and around the cavity. These laws will be then implemented in multi-scale models that can describe and predict the thermo-hydro-mechanical and geochemical behaviours of hydrogen in salt cavities and their ambiances. From one side, these models will be applied to investigate the improvements compared to usual/common approaches, and from another side, to evaluate the mechanical response of cavities to fast cycles of exploitation, as well as to identify typical scenarios of H2 storage and to assess the associated risk.

Contexte

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Encadrement

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Profil candidat

goût pour le travail expérimental

enthusiasm for the experimental work

Références

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Type financement

Autre type de financement

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