Analyse de l'endommagement et de la fracturation des cavités salines de stockage : Application au stockage souterrain de l'hydrogène // Analysis of damage and fracturing at the wall of salt caverns. Application to underground hydrogen storage

Topic description

Contexte :

L'Europe a fait du développement de l'hydrogène vert une priorité dans sa stratégie pour faire face au changement climatique.

Cette ambition ouvre la voie à la création d'une filière hydrogène décarbonée à l'échelle industrielle et à sa reproductibilité technique et économique sur plusieurs sites en Europe et dans le monde.

La maîtrise des risques industriels autour de cette technologie émergente et son impact sur l'environnement restent des facteurs importants pour son acceptation par le public.

Au vu de l'importante variation de température qui peut être observée à la suite d'une détente / décompression de l'hydrogène gazeux dans la cavité, l'exploitation de ces stockages peut poser des problèmes d'endommagement du sel en paroi de cavités.

Les cycles de pression peuvent être rapides. Aux sollicitations purement mécaniques liées aux variations de pression se superposent donc des variations de température répétées de plusieurs dizaines de degrés qui engendrent, notamment à la détente, des contraintes additionnelles de traction susceptibles d'engendrer à la paroi des cavités des fractures dont il est nécessaire d'appréhender l'évolution.

Travail de thèse :

L'objet de la thèse est de modéliser le comportement du sel gemme dans ce contexte particulier de stockage pour analyser l'endommagement et la fracturation des cavités souterraines qui sont soumises à des chargements thermomécaniques rapides.

La première partie concerne le comportement thermique de l'hydrogène injecté. Le candidat s'appuiera sur les travaux précédents des équipes de l'Ineris pour améliorer le modèle thermodynamique existant.

Les travaux permettront d'évaluer l'impact de la prise en compte de la vapeur d'eau et donc de la condensation de l'hydrogène, dans l'équilibre thermodynamique du gaz dans la cavité.

Les échanges thermiques dans le puits d'accès devront être analysés avec un grand soin ainsi que la profondeur des pénétrations des fluctuations thermiques en champs proche de la cavité saline.

La seconde partie est dédiée à la modélisation du comportement couplé thermo hydromécanique, et notamment à la prise en compte des critères de rupture et d'endommagement.

Cette partie inclut la réalisation de calculs du comportement mécanique des cavités avec la prise en compte des contraintes thermiques.

Le comportement mécanique du sel est assez bien connu. C'est un comportement viscoplastique, non-linéaire et (très) thermosensible.

En revanche, les critères de rupture (absence de traction, de contrainte effective de traction, respect d'un critère d'apparition de la dilatance, ou perméabilité accrue, dans un plan de type contrainte moyenne / contrainte déviatorique) doivent être adaptés.

Ce travail s'intéresse particulièrement au risque de fracturation à la paroi des cavités salines de stockage d'hydrogène sous l'effet des variations brusques de la température.

Les condition et critères de nucléation et la propagation de fractures dans le sel à la suite d'un choc thermique doivent être soigneusement étudiées.

La simulation numérique de la fracturation soulève aussi des difficultés qui doivent être résolues. Outre la fracturation thermique à la paroi, il s'agira aussi de repérer, dans un contexte inhabituel, les configurations qui peuvent présenter des risques de rupture : présence d'hors-profils, toit plat, hauteur excessive, présence d'hétérogénéités stratigraphiques.

C'est un domaine où les théories de la mécanique doivent compléter la mise en œuvre de nombreux calculs numériques.

Une collaboration industrielle avec Storengy et Brouard Consulting, tous très actifs dans le domaine sera mise en œuvre pour étudier un site concret à titre d'exemple.

Un court séjour pourra être envisagé avec l'Université Leibniz à Hanovre qui a publié plusieurs travaux dans le domaine.

Context :

Europe has made the development of green hydrogen a priority in its strategy to deal with climate change. This ambition paves the way for the creation of a carbon-free hydrogen sector on an industrial scale and its technical and economic reproducibility on several sites in Europe and around the world.

The control of industrial risks around this emerging technology and its impact on the environment remain important factors for its acceptance by the public.

In view of the significant temperature variation that can be observed following an expansion / decompression of the hydrogen gas in the cavity, the exploitation of these storages can pose problems of damage to the salt in the walls of the cavities.

Pressure cycles can be rapid. On purely mechanical stresses related to pressure variations are therefore superimposed repeated temperature variations of several tens of degrees which generate, in particular on relaxation, additional tensile stresses likely to generate fractures in the wall of the cavities which it is necessary to understand evolution.

Thesis work :

The purpose of the thesis is to model the behavior of rock salt in this particular storage context to analyze the damage and fracturing of underground cavities which are subjected to rapid thermomechanical loadings.

The first part concerns the thermal behavior of the injected hydrogen. The candidate will rely on the previous work of the Ineris teams to improve the existing thermodynamic model.

The work will make it possible to assess the impact of taking water vapor and therefore the condensation of hydrogen into account, in the thermodynamic equilibrium of the gas in the cavity.

The heat exchanges in the access shaft will have to be analyzed with great care as well as the penetration depth of thermal fluctuations in the near field of the salt cavity.

The second part is dedicated to the modeling of the thermo-hydromechanical coupled behavior, and in particular to the determination of rupture and damage criteria.

This part includes the realization of calculations of the mechanical behavior of the cavities with the taking into account of the thermal stresses.

The mechanical behavior of salt is quite well known. It is a viscoplastic, non-linear and (very) thermosensitive behavior.

On the other hand, the failure criteria (absence of traction, of effective tensile stress, compliance with a criterion for the appearance of dilatancy, or increased permeability, in a plane of the average stress / deviatoric stress type) must be adapted.

This work is particularly interested in the risk of fracturing at the wall of saline hydrogen storage cavities under the effect of sudden temperature variations.

The conditions and criteria for nucleation and the propagation of fractures in salt following a thermal shock must be carefully studied.

The numerical simulation of fracturing also raises difficulties that must be resolved. In addition to thermal fracturing at the wall, it will also be a question of identifying, in an unusual context, the configurations which may present risks of rupture : presence of off-profiles, flat roof, excessive height, presence of stratigraphic heterogeneities.

This is an area where the theories of mechanics must complete the implementation of numerical calculations.

An industrial collaboration with Storengy and Brouard Consulting, all very active in the field, will be implemented to study a concrete site as an example.

A short stay could be envisaged with the Leibniz University in Hanover, which has published several works in the field.

Début de la thèse : 01 / 10 /

Funding category

Funding further details

Financement d'un établissement public Français