Développements de protocoles méthodologiques pour le monitoring géochimique appliqué à la détection de fuite d'hydrogène (H₂) à l'aplomb des sites de stockage souterrain

Developments of methodological protocols for geochemical monitoring applied to the detection of hydrogen (H₂) leakages directly from underground storage sites

• Auteur / Autrice : Elodie Lacroix
• Direction : Philippe De Donato
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 17/12/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GéoRessources (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Fabrice Golfier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe De Donato, Emeric Fréjafon, Bruno Garcia, Anne-Gaëlle Bader, Jacques Pironon, Stéphane Lafortune
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emeric Fréjafon, Bruno Garcia

Mots clés

Mots clés contrôlés

Stockage souterrain

Spectroscopie infrarouge

Spectroscopie Raman

Surveillance

Gaz -- Fuite

Géochimie

Hydrogène

Mots clés libres

Hydrogène

Géochimie

Monitoring

Spectroscopie Raman

Spectroscopie infrarouge

Stockage souterrain

Hydrogen

Geochemistry

Monitoring

Raman spectroscopy

Infrared spectroscopy

Underground storage

Résumé

Associé à la transition énergétique, le stockage souterrain d’H₂ est une solution de stockage de l’énergie. Le projet de recherche « Rostock’H » intégrant ce travail de thèse a associé l’Université de Lorraine et l’Ineris pour développer des méthodes de monitoring géochimique afin d’en analyser les risques et opportunités. Il s’agit de pouvoir stocker l’H₂ dans un volume allant jusqu’à 1 000 000 m³ entre 300 et 1400 m de profondeur. Le développement d’un site de stockage souterrain implique une maîtrise des risques anté, syn et post-opérationnels par des méthodes de surveillance géochimique. Incolore et inodore, l’H₂ est un gaz volatil et explosif. Une attention particulière est donc portée sur les risques de fuite en subsurface à partir de ces sites de stockage et sur la métrologie associée à cette détection. Ce travail de thèse a eu trois objectifs : (i) expérimenter des méthodes de monitoring in situ et continu à partir d’injections de gaz dissous sur un site expérimental, (ii) déterminer les impacts potentiels d’une fuite dans les «sols» et «nappes phréatiques» avec une analyse modélisée du comportement géochimique de l’H₂ et des paramètres associés, (iii) établir une stratégie de monitoring recommandé pour les sites de stockages souterrains, afin de prévenir de potentielles fuites d’H₂. Composé d’un aquifère semi-captif à partir de 13 m de profondeur, ce site expérimental du Bassin parisien dispose de plusieurs puits et équipements atteignant les zones saturée et non saturée. Oxydantes, oxygénées et modérément minéralisées, les eaux de cet aquifère ont une composition chimique initiale appartenant au faciès bicarbonaté calcique avec une légère altération en nitrates et sulfates. Plusieurs étapes ont été nécessaires pour simuler et modéliser une fuite potentielle : - Préparation du site et choix des systèmes métrologiques - Établissement de l’état initial du site (ligne de base géochimique) définit à partir de mesures du niveau piézométrique, des paramètres physico-chimiques, d’analyses d’espèces ioniques et des mesures de gaz dissous en puits dédié en combinant spectroscopies Raman (N₂, O₂, CO₂, H₂ et CH₄) et infrarouge (CO₂, CH₄) à l’aide de capteurs optiques - Co-injection d’He dissous et de traceurs hydrogéologiques validant le protocole expérimental d’injection d’H₂ et une première analyse de la dynamique de l’aquifère - Co-injection d’H₂ dissous et de traceurs sélectionnés selon le protocole adapté lié au retour d’expérience - Suivi post-injection déterminant les impacts et la cinétique du retour à l’état initial de la nappe à l’aide notamment du puits dédié et du développement du système de monitoring des gaz dissous par capteurs optiques. Une concentration initiale d’H₂ dissous à 1,78 mg.L⁻¹ a été injectée en conditions de surface durant 2,5 heures dans la nappe. La migration du panache d’H2 dissous ainsi que d’autres gaz initialement présents dans l’aquifère a été suivie à la fois par méthode continue (spectroscopies Raman et infrarouge) et mesures discontinues (dégazage partiel). Une dynamique de transfert d'H₂ décroissante dans la nappe a été observée jusqu'à 20 m en aval du puits d’injection : 0,6 mg.L⁻¹ à 5 m, 0,17 mg.L⁻¹ à 7 m puis 1,8*10⁻³ mg.L⁻¹ d’H₂ à 10 et 20 m lors de la première semaine. À la suite de l'ajout d’H₂(aq), la physico-chimie de l'aquifère a été modifiée avec une augmentation du pH, une diminution du potentiel rédox et de la concentration en O₂(aq). A partir des mesures Raman (à 7 m en aval), un modèle 2D a été établi sur la base d’un processus mixte de diffusion/advection de l’H₂ en supposant un écoulement monocanal au sein de l’aquifère. Ces résultats expérimentaux acquis valident, sur le long terme, les choix métrologiques appliqués, avec une limite de détection d’H₂ en aquifère à 0,02 mg.L⁻¹. Ils confirment ainsi la faisabilité du suivi d’H₂ dans les aquifères peu profonds et mettent en évidence les impacts potentiels des fuites des stockages souterrains atteignant la surface.

Combined with the energy transition, underground H₂ storage is a storage solution for the energy. The research project named "Rostock'H" integrating this thesis work associated the University of Lorraine and Ineris to develop geochemical monitoring methods in order to analyze the risks and opportunities. This project aims to study the risks and opportunities of H₂ storage in salt caverns. The next goal is to be able to store H₂ in a volume of up to 1,000,000 m³ between 300 and 1,400 m deep. The development of an underground storage site involves controlling pre, syn and post-operational risks by geochemical monitoring methods. Colorless and odorless, H₂ is a volatile and explosive gas. A particular attention is therefore paid to the risks of subsurface leakage from these storage sites and to the metrology associated with this detection. This thesis work had three main objectives: (i) to experiment in-situ and continuous monitoring methods from dissolved gas injections on a dedicated experimental site, (ii) to determine the potential impacts of a leak in “soils” and “aquifers” with a modeled analysis of the geochemical behavior of H₂ and associated parameters, (iii) to establish recommendations and a monitoring strategy for existing or future underground storage sites to prevent potential H₂ leakages. Composed of a semi-confined aquifer from 13 m deep, this experimental site in the Paris Basin has several wells and equipments reaching the saturated and unsaturated zones. Oxidizing, oxygenated and moderately mineralized, the waters of this aquifer have an initial chemical composition belonging to the calcium bicarbonate facies with a slight alteration in nitrates and sulphates. Several steps were necessary to simulate and model a potential leak: - Preparation of the site and choice of the metrological systems that will be deployed - Establishment of the initial state of the site through the definition of a geochemical baseline from measurements of the piezometric level, physico-chemical parameters, analyzes of ionic species and dissolved gas measurements in a dedicated well by combining of the Raman and infrared spectroscopies - Co-injection of dissolved He and hydrogeological tracers to validate the experimental protocol of the H₂ injection and to allow a first analysis of the aquifer dynamics - Co-injection of dissolved H₂ and tracers selected according to the adapted protocol linked to the experience feedback from the He injection - Post-injection monitoring to determine the impacts and the kinetics of return in the initial state of the aquifer using in particular the monitoring system of dissolved gases by optical sensors. An initial concentration of H₂ dissolved at 1.78 mg.L-1 was injected under surface conditions for 2.5 hours into the aquifer. The migration of the dissolved H₂ plume as well as other gases initially present in the aquifer was monitored both by continuous method (Raman and infrared spectroscopies) and discontinuous measurements (partial degassing). A dynamic of H₂ transfer in the water table was observed up to 20 m downstream from the injection well: 0.6 mg.L⁻¹ at 5 m, 0.17 mg.L⁻¹ at 7 m then 1.8*10⁻³ mg.L⁻¹ of H₂ at 10 and 20 m during the first week. Following the addition of H₂(aq), the physico-chemistry of the aquifer was modified with an increase of pH, a decrease of redox potential and of the O₂(aq) concentration. From continuous measurements by Raman spectroscopy (at 7 m downstream the injection well), a 2D model was established on the basis of a mixed H₂ diffusion/advection process, assuming a single-channel flow in the aquifer. The experimental results acquired in this thesis work validate, over the long term, the metrological choices applied, with a detection limit of H₂ in aquifer lowered to 0.02 mg.L⁻¹. These results thus confirm the feasibility of monitoring dissolved H2 in shallow aquifers and highlight the potential impacts of leakages from underground storage reaching the surface.