Etude expérimentale du comportement thermochimique des fluides géothermaux et des corrosions induites

Experimental study of thermochemical behaviour of geothermal fluids and induced corrosions

• Auteur / Autrice : Marie Poulain
• Direction : Pierre Cézac, Hervé Martinez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 14/11/2019
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LABORATOIRE DE THERMIQUE ENERGETIQUE ET PROCEDES (EA1932) / LATEP

Mots clés

Mots clés contrôlés

Teneur en dioxyde de carbone

Échangeurs de chaleur -- Encrassement

Corrosion

Géothermie

Mots clés libres

Dioxyde de carbone

Saumure

Solubilité

Corrosion

Aciers

Surface

XPS

Géothermie

Carbon dioxide

Brine

Solubility

Corrosion

Steel

Surface

XPS

Geothermal energy

Résumé

Le dimensionnement des échangeurs de chaleur dans les installations géothermiques nécessite d’avoir une bonne connaissance des fluides géothermaux et des équilibres gaz/liquide. La présence de gaz dans les échangeurs diminue leur efficacité. Il est donc essentiel d’éviter le dégazage. La description des équilibres gaz/liquide est possible grâce à l’utilisation des modèles thermodynamiques dont les paramètres sont optimisés partir de données expérimentales. Ainsi, l’acquisition de données de solubilité de gaz dans les saumures est primordiale. De plus, les fluides géothermaux contiennent de nombreux sels et des gaz dissous constituant un environnement agressifs pour les matériaux utilisés dans les installations. La résistance à la corrosion doit être évaluée afin de sélectionner les matériaux adéquats pour les échangeurs de chaleur.La première partie de ce travail de thèse a consisté à reproduire les conditions rencontrées dans les sous-sols du Bassin Rhénan dans un pilote expérimental dédié à la caractérisation de équilibres gaz/liquide sous haute pression et haute température. La solubilité du dioxyde de carbone a été mesurée dans des saumures synthétiques contenant principalement du chlorure de sodium NaCl, du chlorure de calcium CaCl2 et du chlorure de potassium KCl à 50, 100 et 150°C entre 1 et 20 MPa.La seconde partie de ce travail s’est focalisée sur l’étude de la corrosion de matériaux dans les environnements CO2-saumures sous haute température et haute pression. Pour cela un nouveau pilote expérimental destiné à ce type d’étude a été développé au cours de cette thèse. La surface des matériaux exposés a ensuite été caractérisée par différentes méthodes expérimentales telles que la Spectroscopie Photoélectronique à Rayonnement X (XPS) et la Microscopie Electronique à Balayage (MEB). Différents mécanismes de formations de produits de corrosion de nature plus ou moins protectrice en fonction de la température et de la nature des matériaux ont notamment pu être mis en avant.

The design sizing of heat exchangers in geothermal installations requires a good knowledge of geothermal fluids and gas/liquid equilibrium. The efficiency of heat exchangers is affected by the presence of gas. It is therefore essential to avoid degassing. Thermodynamic models are used to describe gas/liquid equilibrium. Nevertheless, model parameters are fitted from experimental data. Thus, the acquisition of gas solubility data in brine is fundamental. Moreover, geothermal fluids contains many corrosive species regarding materials. Material corrosion resistance has to be studied to ensure the better choice for heat exchangers.The first part of this PhD consisted in reproducing subsoil conditions of Upper Rhine Graben in a device used to characterize gas/liquid equilibrium at high pressure and high temperature. Carbon dioxide solubility has been measured in two synthetic brines containing sodium chloride NaCl, calcium chloride CaCl2 and potassium chloride KCl at 50, 100 and 150°C from 1 to 20 MPa.The second part of this work was focused on the corrosion study of material in CO2-brine environment at high temperature and high pressure. A new experimental pilot has been developed to conduct corrosion studies. Then, the surface of exposed material was characterized with different technics: X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Scanning Electron Microscopy (SEM)… The obtained results allow a better understanding of the formation of corrosion products. The nature of the corrosion product is controlled by the temperature and the composition of the material.