Microstructure et micromécanique de l'halite naturelle pour le stockage souterrain de l'hydrogène dans des cavernes salines profondes

Microstructure and micromechanics of natural halite for underground storage of hydrogen in deep salt caverns

• Auteur / Autrice : Xinjie Li
• Direction : Alexandre Dimanov
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Ingénierie, mécanique et énergétique
• Date : Inscription en doctorat le 01/09/2022
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMS - Laboratoire de Mécanique des Solides
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : E3

Mots clés

Mots clés libres

Imagerie et traitement de l'image

Mathématiques appliquées

Mécanique et physique des roches

Mécanique des milieux continus

Techniques expérimentales

Mécanique des matériaux

Rock mechanics and physics

Continuum mechanics

Mechanics of materials

Imaging and image processing

Experimental techniques

Applied mathematics

Résumé

Pour faire face au réchauffement climatique, une transition forte et rapide vers de nouvelles énergies à faible teneur en carbone est nécessaire. La nature intermittente de la plupart des sources d'énergie renouvelables exige parallèlement de nouvelles solutions pour le stockage massif de l'énergie. L'hydrogène vert obtenu par électrolyse est le vecteur énergétique le plus prometteur et un moyen possible de le stocker en très grands volumes serait d'utiliser des cavernes de sel artificielles souterraines, créées par lixiviation dans des dômes ou des stratifications géologiques de sel gemme. Si l'utilisation de ces derniers pour le stockage d'hydrocarbures fossiles est une industrie mature, leur conversion au stockage d'H2 soulève de nombreuses questions techniques et scientifiques, relatives notamment à la nature intermittente du stockage et à la perméabilité du sel gemme à l'hydrogène. Ces questions seront abordées dans le cadre d'un projet collaboratif financé par l'ANR (RockStorHy) débutant en 2021 pour 4 ans. Dans ce projet, d'une part, les micromécanismes de déformation dans le sel gemme seront étudiés au moyen d'essais mécaniques in situ à l'échelle microscopique basés sur la microscopie électronique à balayage (MEB, imagerie 2D) et la microtomographie à rayons X (MCRX, imagerie 3D), compatibles avec un chargement triaxial représentatif du démarrage mécanique à proximité des cavernes, tous deux combinés à des techniques de corrélation d'images pour détecter à la fois les hétérogénéités locales de déformation et les événements de dommage tels que les microfissures ou les micropores, qui joueront un rôle fondamental pour la perméabilité. Ces recherches seront essentiellement réalisées, par un premier doctorant, sur des halites synthétiques à microstructures contrôlées, adaptées aux contraintes des techniques d'observation. D'autre part, des essais macroscopiques (fluage sous chargement monotone et cyclique) seront réalisés par un second doctorant sur des échantillons d'halite naturelle de plus grande taille, représentatifs du sel gemme des cavernes réelles, afin d'identifier les relations constitutives à utiliser dans les simulations numériques de modèles de cavernes complètes. Ces roches naturelles peuvent présenter une plus grande variabilité dans leurs microstructures, en ce qui concerne notamment la distribution de la taille des grains, la morphologie des joints de grains, la présence d'impuretés, la porosité ou les fissures préexistantes et les caractéristiques de déformation plastique. Pour cette raison, une extrapolation directe de la micromécanique observée dans l'halite synthétique à la roche naturelle n'est pas simple et il y a de la place pour un travail de doctorat supplémentaire, proposé dans le présent appel CSC, d'une étude micromécanique supplémentaire de la roche naturelle. Dans ce travail, la microstructure de la roche naturelle sera caractérisée par des observations MEB (y compris l'analyse de texture par EBSD et l'analyse chimique par EDS) et l'imagerie XRCT (pour la porosité). Des essais uniaxiaux combinés à la microscopie optique et au MEB dans la lignée de ceux déjà réalisés dans un ancien projet (Bourcier at al 2013) seront également appliqués à cette roche naturelle plus complexe. En outre, l'imagerie XRCT ex-situ des échantillons avant et après les essais macroscopiques uniaxiaux et triaxiaux sera réalisée afin d'évaluer la porosité ou l'évolution des dommages. Ces investigations nous permettront d'améliorer notre compréhension des micromécanismes actifs dans l'halite réelle sous des charges réalistes, et en particulier de discuter de la pertinence des observations détaillées dans l'halite synthétique réalisées dans le premier travail de thèse. Notez que le projet proposé commencera un an après ce dernier, et bénéficiera donc de son expérience. Enfin, des simulations numériques seront également réalisées avec un autre partenaire du projet. Elles seront basées sur des techniques avancées combinant FEM et champ de phase pour modéliser l'initiation et la croissance des dommages ainsi que le glissement des joints de grains.

In order to face global warming, a strong and fast transition to new low carbon energies is required. The intermittent nature of most renewable energy sources requires concomitant new solutions for massive energy storage. Green hydrogen obtained by electrolysis is the most promising energy carrier and a possible mean to store it in very large volumes would be to use underground artificial salt caverns, created by leaching in domes or geological stratifications of rock salt. Though the use of the latter for the storage of fossil hydrocarbons is a mature industry, their conversion to H2 storage raises many technical and scientific questions, relative in particular to the intermittent nature of the storage and the permeability of rock salt to hydrogen. These issues will be addressed within a collaborative project funded by ANR (RockStorHy) starting in 2021 for 4 years. In this project, on the one hand, the deformation micromechanisms in rock salt will be investigated by means of microscale in situ mechanical tests based on Scanning Electron Microscopy (SEM, 2D imaging) and X-ray Computed Microtomography (XRCT, 3D imaging), compatible with triaxial loading representative of mechanical starter near caverns, both combined with image correlation techniques to detect both local strains heterogeneities and damage events such as micro cracks or micropores, which will play a fundamental role for permeability. These investigations will essentially be performed, by a first PhD student, on synthetic halite with controlled microstructures, adapted to the constraints of the observation techniques. On the other hand, macroscopic tests (creep under monotonic and cyclic loading) will be performed by a second PhD on larger natural halite samples, representative of rock salt of real caverns, in order to identify constitute relations to be used in numerical simulations of full cavern models. Such natural rocks may present a much stronger variability in their microstructures, regarding in particular grain size distribution, grain boundary morphology, presence of impurities, preexisting porosity or cracks and plastic strain features. For this reason, a direct extrapolation of the micromechanics observed in synthetic halite to natural rock is not straightforward and there is space for an additional PhD work, proposed in the present CSC call, of an additional micromechanical investigation of natural rock. In this work, the microstructure of natural rock will be characterized with SEM observations (including texture analysis by EBSD and chemical analysis by EDS) and XRCT imaging (for porosity). Uniaxial tests combined with optical microscopy and SEM in the line of those already performed in a former project (Bourcier at al 2013) will also be applied to this more complex natural rock. In addition, ex-situ XRCT imaging of samples before and after macroscopic uniaxial and triaxial tests will be performed in order to evaluate porosity or damage evolutions. Such investigations will allow us to improve our insight on the actual micromechanisms active in real halite under realistic loads, and in particular discuss the pertinence of the detailed observations in synthetic halite performed in the first PhD work. Note that the proposed project will start one year after the latter, and thus will benefit from its experience. Finally, numerical simulations will also be performed with another partner of the project. They will be based on advanced techniques combining FEM and phase field to model damage initiation and growth as well as grain boundary sliding.