Formation de patterns bioréactifs dans un stockage souterrain de l’hydrogène : impact de l’hétérogénéité naturelle et induite

Patterns in bioreactive transport in underground storage of hydrogen : impact of natural and induced heterogeneity

• Auteur / Autrice : Noura Eddaoui
• Direction : Mikhail Panfilov, Saïd Aniss
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique - Génie civil
• Date : Soutenance le 10/12/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine en cotutelle avec Université Hassan II (Casablanca, Maroc)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Élie Cartan de Lorraine (1997-.... ; Vandoeuvre-lès-Nancy, Metz)
• Jury : Président / Présidente : Jaâfar Khalid Naciri
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mikhail Panfilov, Saïd Aniss, Abdelmajid Jamil, Christophe Josserand, Franck Plouraboué, Anne Tanière
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Abdelmajid Jamil, Christophe Josserand, Franck Plouraboué

Mots clés

Mots clés contrôlés

Formation des structures (sciences physiques)

Théorie du transport

Hydrodynamique

Méthanisation

Réservoirs de stockage souterrains

Stockage

Hydrogène

Mots clés libres

Méthanisation

Patterns

Hydrogène

Patterns

Hydrogen

Biomethanation

Résumé

A l'ère de la transition énergétique et en lien avec l'accord international sur la transition vers une économie climatiquement neutre à l'horizon 2050, des recherches intensives sont menées dans le monde sur les énergies renouvelables. Du fait du caractère intermittent et imprévisible de leur fonctionnement, le problème du stockage de l'énergie produite en excès devient un problème très important. On parle actuellement d'une grande capacité de stockage de grandes quantités d'électricité provenant de cellules photovoltaïques et d'éoliennes. L'électricité étant mutuellement convertie en hydrogène et inversement, son stockage dans les couches géologiques sous forme de gaz devient la solution optimale. La conversion de l'électricité renouvelable en H2 peut se faire par électrolyse. Le processus est réversible à l'aide de piles à combustible, où l'hydrogène est converti en courant électrique. On obtient la chaîne : power - to gas - to power. En conséquence, il n'y a pratiquement pas de gaz à effet de serre, ce qui peut conduire à la décarbonation du secteur des transports et des industries énergivores. Dans cette thèse, nous analysons le stockage de l'hydrogène dans des milieux poreux souterrains, qui peuvent être des aquifères, ou des réservoirs de gaz épuisés, ou des ex-stockages de gaz naturel. Le sujet de cette thèse est l'analyse hydrodynamique du transport des gaz injectés dans un stockage couplé à la dynamique bactérienne. Comme le montrent les études précédentes, l'hydrogène est consommé de manière intensive par différents types de bactéries, qui le transforment en méthane par exemple. Les effets croisés des bioréactions et du transport conduisent à la formation de structures spatiales complexes appelées modèles qui conduisent à une distribution non uniforme de l'hydrogène sur le domaine. Notre attention principale s'est concentrée sur l'impact de l'hétérogénéité moyenne sur la formation de motifs. Deux types d'hétérogénéité ont été analysés : la double porosité, selon le modèle macroscopique de Barenblatt, et l'hétérogénéité induite par les bactéries dont la croissance crée la zone de pores réduits voire totalement obstrués.

In the era of energy transition and in connection with the international agreement on the transition to a climate-neutral economy by 2050, intensive research is being carried out around the world on renewable energy sources. Due to the intermittent and unpredictable nature of their functioning, the problem of storing excessively produced energy becomes a highly important problem. We are currently talking about a large capacity for storing large amounts of electricity coming from photovoltaic cells and windmills. Since electricity is mutually converted to hydrogen and vice versa, storing it in geological strata in the form of gas becomes the optimal solution.The conversion of electricity into H2 can be done by electrolysis. The process is reversible using fuel cells, where hydrogen is converted into electrical current. We obtain the chain: power - to gas - to power. As a result, there are virtually no greenhouse gases, which can lead to the decarbonization of the transport sector and energy-intensive industries.In this thesis, we analyze the storage of hydrogen in underground porous media, which can be aquifers, or depleted gas reservoirs, or ex-storages of natural gas.The subject of this thesis is the hydrodynamic analysis of transport of injected gases in a storage coupled with bacterial dynamics. As shown in previous studies, hydrogen is intensively consumed by various types of bacteria, which transform it into methane, for example. The cross-effects of bioreactions and transport determine the formation of complicated spatial structures called patterns that lead to a nonuniform distribution of hydrogen over the domain. Our main attention was focused on the impact of medium heterogeneity on pattern formation. Two types of heterogeneity were analyzed: the double porosity, in terms of the macroscopic Barenblatt’s model, and the heterogeneity induced by bacteria, growth of which creates the zones of reduced permeability or even completely clogged pores.