Caractérisation des transferts d’éléments trace métalliques dans une matrice gaz/eau/roche représentative d'un stockage subsurface de gaz naturel

Characterization of metal trace element transfers in a gas/water/rock matrix in order to represent an underground natural gas storage

• Auteur / Autrice : Maxime Cachia
• Direction : Isabelle Le Hécho, Hervé Carrier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie analytique et Environnement
• Date : Soutenance le 21/06/2017
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hervé Carrier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chimie analytique

Mots clés libres

Éléments trace

Gaz naturel

Biogaz

Biométhane

Caractérisation

Aquifère

Analyse

Trace elements

Natural gas

Biogas

Biomethane

Characterization

Aquifer

Analysis

Résumé

Le gaz naturel représente environ 20% de la consommation énergétique mondiale et cette part est attendue à la hausse dans les prochaines années en raison de la transition énergétique. Pour des raisons économiques et stratégiques, et afin de réguler les demandes d’énergie entre l’été et l’hiver, le gaz naturel est stocké temporairement dans des réservoirs souterrains, notamment des réservoirs aquifères. Les opérations d’injection et de soutirage du gaz mettent donc en contact des espèces gazeuses, liquides et solides, et rendent potentiellement possibles de nombreux phénomènes de transferts d’espèces chimiques d’un milieu vers un autre. Ainsi, bien que composé majoritairement de méthane (70-90%vol), le gaz naturel peut présenter des concentrations variées d’éléments trace métalliques (arsenic, mercure, plomb…). Compte tenu du caractère néfaste de ces composés, à la fois pour les installations industrielles et pour l’environnement, il est de la première importance de connaître l’impact de la composition chimique du gaz sur l’aquifère.Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse s’inscrivent dans ce contexte et ont eu pour objectif de caractériser les matrices gaz/eau/roche ainsi que les interactions qui existent entre elles, avec pour centre d’intérêt principal les éléments trace métalliques.Pour cela nous avons fait porter nos efforts sur l’optimisation (i) des conditions d’utilisation d’un banc de prélèvement ATEX, basé sur le principe de barbotage, et (ii) des méthodes de piégeages des métaux lourds puis d’analyses employées. Ce dispositif unique permet d’échantillonner les métaux présents dans un gaz naturel sous pression (100 bar maximum). Utilisé sur des sites industriels, ce banc a permis de mesurer et suivre sur plusieurs années la composition chimique en éléments trace métalliques du gaz naturel, mais aussi ponctuellement d’un biogaz et d’un biomethane. En effet, Ces deux derniers gaz ont vocation à réduire l’utilisation des énergies fossiles, celle du gaz naturel en particulier. Les biométhanes sont donc amenés à parcourir les mêmes réseaux de transport et à séjourner dans les mêmes sites de stockage que ceux utilisés pour le gaz naturel.En complément de la caractérisation de la phase gazeuse, nous nous sommes intéressés aux évolutions des compositions chimiques des phases aqueuse et minérale du stockage souterrain, sans pouvoir identifier de mécanisme de transfert spécifiquement lié aux activités de stockage de gaz.

Natural gas represents 20% of energy consumption in the world. This percentage is expected to increase in the next years due to the energy transition. For economic and strategic concerns, and in to regulate energy demand between summer and winter, natural gas might be stored in underground storages like aquifers. Consequently, injection and drawing operations favour contact between gaseous, liquid and solid species and make possible transfer phenomena of chemical species from one matrix to another. In addition, even though natural gases are composed essentially of methane (70-90%vol), they can also show various metallic trace element concentrations (mercury, arsenic, tin…). According harmful effects of these compounds on industrial infrastructures and on environment, knowing impacts of natural gas composition on aquifer storage is crucial.The different tasks of this thesis are incorporated within such a context with the objective to characterize gases-waters-rocks matrices and their potential interactions, focusing on metallic trace elements.Therefore, we have focused a part of this PhD thesis on the optimisation of conditions of use (i) of a in EX zone 0 sampler device, working according to the principle of bubbling and (ii) of trapping methodology as well as analytic methods. This unique device allows metal sampling from natural gases up to 100 bar pressure. Its use on industrial sites has permitted to measure and monitor during several years the metallic trace element chemical compositions of a natural gas and also more limited biogas and a biomethane analysis. Indeed, these two last gases are designed to reduce fossil fuel consumption particularly natural gas one. Biomethanes are led to use the same transportation network and to be temporarily stored in the same way as natural gaz. In addition of the gaseous phase, we have taken interest in the water and the mineral phases to characterize their chemical composition evolutions in time, without identify specific transfer mechanisms in touch with gas storage activity.