Thermodynamique de stockage souterrain de fluides : Application aux cavités salines

Thermodynamics of fluids underground storage : Application to salt caverns

• Auteur / Autrice : Aurélien Soubeyran
• Direction : Ahmed Rouabhi, Christophe Coquelet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences et géoingénierie
• Date : Soutenance le 04/06/2020
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Géosciences, ressources naturelles et environnement (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de géosciences (Fontainebleau, Seine et Marne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Bérest
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ahmed Rouabhi, Christophe Coquelet, Behrooz Bazargan-Sabet, Simon Jallais, Michel Tijani
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascale Bénézeth, Alain Millard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de masse

Thermodynamique

Conservation de l'énergie

Mots clés libres

Cavité saline

Loi d'état

Thermodynamique de stockage

Transfert de masse

Cinétique de dissolution

Salt cavern

Equation of state

Storage thermodynamics

Mass transfer

Kinetics of dissolution

Résumé

Dans le contexte actuel de transition énergétique, des projets cherchent à stocker de façon temporaire dans le sous-sol de nouveaux fluides (CO2, O2, H2). Ces derniers peuvent présenter des caractéristiques thermodynamiques différentes de celles des produits habituellement stockés dans ces structures, tant individuellement qu’en présence des autres espèces que l’on y retrouve (saumure, insolubles, halite). Ce mémoire cherche à modéliser un stockage en cavité saline pour faire ressortir les propriétés thermodynamiques les plus susceptibles d’en affecter le comportement et d’influer ainsi sur son mode de gestion. Dans cette optique, les modélisations effectuées sur ces nouveaux fluides sont comparées à celles réalisées pour un fluide de référence, considéré a priori comme proche (ici le CH4), pour lequel on dispose d’une validation pratique.Ce mémoire se concentre plus particulièrement sur la prise en compte des transferts de masse entre le fluide stocké et la saumure dans la modélisation. Cela nécessite d’adopter des lois d’état spécifiques pour caractériser thermodynamiquement les mélanges que ces transferts impliquent. Cela oblige également à reprendre les équations du modèle de stockage afin d’y intégrer les échanges de masse entre les phases fluides, mais aussi ceux de chaleur qu’ils induisent. Deux aspects sont traités : d’un côté, l’influence que les transferts de masse peuvent exercer sur les conditions du stockage, en le supposant à l’équilibre thermodynamique à tout instant, et de l’autre, l’évolution de ceux-ci d’un point de vue cinétique. Pour illustrer ces deux points, notamment expérimentalement, le CO2 est utilisé comme cas d’étude, en raison de sa relativement forte solubilité en saumure, et comparé au CH4, qui, à l’inverse, s’y dissout faiblement.

In the current energy transition context, ongoing projects intend to temporarily store underground new fluid products (CO2, O2, H2). Their thermodynamic features may differ from those of the commonly stored products in such facilities, whether their own behavior is considered or their interactions with the other species remaining in the reservoir (brine, insoluble materials, NaCl cristal). This work aims to model a salt cavern storage to highlight the thermodynamic properties most impacting the storage behavior the most and influencing the choice of the monitoring process. For this purpose, the modeling of the storage behavior of these new products is compared to the already validated one, achieved on a comparable reference product (here the CH4).This work more specifically focuses on taking into account the mass transfers occuring between the stored fluid and the brine phases. This requires to use more complex equations of states to thermodynamically characterize of the newly considered mixtures and to adapt the equations of the global storage model to incorporate the mass exchanges between the fluid phases, as well as the heat transfers these phenomena induce. Two special aspects are addressed on the mass transfers : on the one hand, their impact on the evolution of the storage conditions, considering the thermodynamic equilibrium at any time, and, on the other, their kinetic evolution. To illustrate these two points, experimentally and numerically, CO2 is observed, due to its relatively high solubility in brine, and compared to CH4, which, inversely, hardly dissolves in it.