Étude numérique de l'influence de la variabilité spatiale des caractéristiques thermo-hydro-mécaniques du sol sur les performances géothermiques des tunnels et des stations de métro

Numerical study of the influence of the spatial variability of the thermo-hydro-mechanical characteristics of the ground on the geothermal performance of tunnels and metro stations

• Auteur / Autrice : Alaaeldin Ogail
• Direction : Hussein Mroueh
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique, énergétique, génie des procédés, génie civil
• Date : Inscription en doctorat le 05/02/2024
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : ENGSYS Sciences de l'ingénierie et des systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LGCgE - Laboratoire Génie Civil & Géo-Environnement

Mots clés

Mots clés libres

Énergie Géothermique

Énergie Géostructurale

Performance Géothermique

Caractéristiques Thermo-Hydro-Mécaniques

Variabilité Spatiale

Stations de Métro et Tunnels

Geothermal Energy

Energy Geostructures

Geothermal Performance

Thermo-Hydro-Mechanical Characteristics

Spatial Variability

Metro Stations and Tunnels

Résumé

Dans le contexte actuel de transition énergétique, le développement de solutions géothermiques peu profondes suscite un intérêt majeur et une demande croissante. Depuis les années 1980 (Brandl 2006), de nouvelles méthodes d'exploitation de cette énergie ont été développées avec des géostructures énergétiques (EGS). Ces méthodes permettent à des structures souterraines construites pour leur rôle structurel d'être utilisées comme échangeurs de chaleur et ainsi d'installer des solutions géothermiques à moindre coût. Récemment, ces méthodes ont été développées pour l'infrastructure des stations de métro et des tunnels, qui présentent un potentiel énergétique très important (Di Donna et al. 2020). Dans ce sens, le développement de grandes infrastructures souterraines dans la région parisienne (Grand Paris Express et projet Eole en particulier) représente une excellente opportunité. Tirer pleinement parti des différences de température entre le sol, l'air en surface et l'air contenu à l'intérieur des tunnels et des stations de métro est une manière intéressante de relever les défis actuels de la transition écologique. En effet, lors de la construction de tunnels peu profonds (à l'aide de tunneliers ou de méthodes conventionnelles) ou de stations (appuyées sur des murs en béton), il est possible d'installer des échangeurs de chaleur qui extraient l'énergie du sol à l'aide d'un système de pompe à chaleur, puis d'utiliser les calories extraites pour chauffer des bâtiments en surface, par exemple. Ce sujet a fait l'objet de nombreux modèles numériques (Crossrail de Londres, ligne 2 du métro de Turin, métro de Varsovie) et de quelques expériences (4 stations de métro à Rennes, 4 stations de métro à Vienne, tunnel de la ligne 1 du métro de Turin, etc.). Néanmoins, ces dernières n'ont pas permis aux chercheurs de parvenir à des conclusions suffisamment solides pour justifier pleinement le véritable potentiel géothermique de ces structures et permettre une mise en œuvre à grande échelle. Cette thèse de doctorat vise à étudier l'impact des incertitudes liées à la géologie et à la circulation de l'eau autour d'une géostructure énergétique sur la performance globale de la structure et son impact sur l'environnement (interaction avec d'autres structures, panaches thermiques, déviation thermique pluriannuelle et suintement d'eau souterraine). Les aspects suivants seront analysés : - Effets d'une géologie avec une stratigraphie complexe (bassin parisien) et un contraste élevé (notamment la perméabilité) sur la performance énergétique globale ; - Effets de la variabilité des caractéristiques thermiques et hydrauliques de la même formation géologique, présence d'hétérogénéités ; - Impacts de la complexité et/ou des incertitudes sur le régime d'écoulement : niveau de l'eau, vitesse, variations saisonnières ; - Effets de la géométrie (par exemple, enregistrement hydraulique/mécanique) et de l'orientation de la structure par rapport à la circulation d'eau souterraine et thermique (effet de barrage) ; - Étude des interactions entre différentes structures géothermiques, panaches thermiques et dérive thermique pluriannuelle, à l'échelle urbaine. Ce sujet de thèse nécessite le développement de modèles thermo-hydro-mécaniques avancés pour aborder les complexités et les variabilités des caractéristiques thermiques, hydrauliques et mécaniques. Nous pouvons également viser à proposer une méthodologie d'optimisation de la production d'énergie basée sur l'analyse des performances sur une période limitée (méthode observationnelle). Dans le cas de géostructures associant plusieurs zones équipées (typiquement, pour une station souterraine, murs et envers), et lorsque les régimes d'écoulement et de transfert dans ces zones sont différents ou présentent des incertitudes découplées, il sera possible de définir la meilleure distribution des flux dans les circuits afin de maximiser la performance énergétique globale de la structure par rapport à la puissance installée. Les travaux de recherche permettront également de définir la position/longueur optimale des tubes échangeurs de chaleur (par exemple, dans les horizons les plus productifs, zones de stockage, etc.) ainsi que les caractéristiques des pompes à chaleur à utiliser.

In the current context of energy transition, the development of shallow geothermal energy solutions is a major interest and demand. Since the 1980s (Brandl 2006), new methods of exploiting this energy have been developed with energy geostructures (EGS). These methods allow underground structures built for their structural role to be used as heat exchangers and thus to install geothermal solutions at lower cost. Recently, these methods have been developed for the infrastructure of metro stations and tunnels, which have a very important energy potential (Di Donna et al. 2020). In this sense, the development of large underground infrastructures in the Paris region (Grand Paris Express and Eole Project in particular) represents a very good opportunity. Taking full advantage of the temperature differences between the ground, the surface air, and the air contained inside the tunnels and metro stations is an interesting way of meeting the current challenges of ecological transition. Indeed, during the construction of shallow tunnels (using tunnel boring machines or conventional methods) or stations (supported by cast walls), it is possible to install heat exchangers that extract energy from the ground using a heat pump system and then use the extracted calories to heat buildings on the surface, for example. This topic has been the subject of numerous numerical models (London Crossrail, Turin metro line 2, Warsaw metro) and a few experiments (4 metro stations in Rennes, 4 metro stations in Vienna, tunnel of line 1 of the Turin metro, etc.). Nevertheless, these latter did not allow researchers to reach sufficiently solid conclusions to fully justify the real geothermal potential of these structures and to allow for large-scale implementation. This Ph.D. thesis aims to study the impact of uncertainties related to geology and water flow around an energy geostructure on the overall performance of the structure and its impact on the environment (interaction with other structures, thermal plumes, multi-year thermal deviation, and underground water seepage). The following aspects will be analyzed: - Effects of geology with complex stratigraphy (Paris basin) and high contrast (especially permeability) on the overall energy performance; - Effects of the variability of the thermal and hydraulic characteristics of the same geological formation, presence of heterogeneities; - Impacts of complexity and/or uncertainties on the flow regime: water level, velocity, seasonal variations; - Effects of geometry (e.g., hydraulic/mechanical record) and orientation of the structure with respect to the underground water and thermal flow (dam effect); - Study of the interactions between different geothermal structures, thermal plumes, and multi-year thermal drift, at the urban scale. This thesis topic requires the development of advanced thermo-hydro-mechanical models to tackle the complexities and variability of the thermal, hydraulic, and mechanical characteristics. We may also aim to propose a methodology for optimizing energy production based on the analysis of performance over a limited time (i.e., observational method). In the case of geostructures associating several equipped zones (typically, for an underground station, walls, and invert), and when the flow and transfer regimes in these zones are different or have decoupled uncertainties, it will be possible to define the best distribution of flows in the circuits to maximize the overall energy performance of the structure with respect to the installed power. The research work will also make it possible to define the optimal position/length of the heat exchanger tubes (for example, in the most productive horizons, storage zones, etc.) as well as the characteristics of the heat pumps to be used.