Doctorant en Modélisation numérique du stockage souterrain d'hydrogène

Notre société exige de plus en plus l’utilisation de sources d’énergie renouvelables telles que le solaire et l’éolien, tout en recherchant des vecteurs énergétiques alternatifs comme l’hydrogène pour atténuer l’intermittence de ces sources. L’Europe et l’Amérique disposent d’un potentiel important pour la production d’énergie renouvelable et d’hydrogène par électrolyse. Toutefois, on prévoit de grandes différences entre la production variable d’énergie renouvelable et la demande mondiale d’hydrogène, nécessitant des solutions de stockage intermédiaires. Ainsi, le stockage d’énergie à grande échelle avec des technologies viables sera l’un des défis des décennies à venir afin d’assurer la disponibilité de l’énergie excédentaire lorsque cela est nécessaire.

L’intermittence des énergies renouvelables, due à des fluctuations journalières et saisonnières (comme la force du vent ou la variabilité du rayonnement solaire), peut être minimisée par la génération d’hydrogène par électrolyse et son stockage dans des gisements de pétrole et de gaz épuisés (hydrogène vert). Une autre option est la production d’hydrogène à partir de combustibles fossiles, accompagnée du stockage du dioxyde de carbone capturé dans des réservoirs géologiques (hydrogène bleu), afin d’éviter les émissions de gaz à effet de serre.

Le développement et l’application généralisée de la technologie de stockage géologique ne peuvent se faire que si la permanence du CO₂ ou de l’H₂ stocké est assurée, ce qui requiert une compréhension approfondie des caractéristiques du réservoir et de son étanchéité, ainsi que le développement de méthodes pour surveiller les migrations vers la surface et estimer précisément les volumes de stockage disponibles.

Le stockage souterrain d’hydrogène (UHS) dans des formations géologiques représente une solution prometteuse pour le stockage temporaire d’hydrogène à grande échelle. Cependant, l’injection et le soutirage cycliques d’hydrogène imposent des trajectoires de contraintes mécaniques et dynamiques complexes sur le réservoir et les structures géologiques environnantes. Ces processus peuvent entraîner la réactivation de discontinuités, telles que les failles et les fractures, compromettant l’intégrité du site de stockage.

De plus, l’hydrogène peut modifier la géochimie du réservoir, affectant la porosité et la perméabilité. Par exemple, il peut réduire le Fe³⁺ dans les minéraux comme l’hématite en formant du Fe²⁺, ce qui peut altérer les propriétés des roches. Certaines argiles peuvent également gonfler en réponse à l’injection d’hydrogène, réduisant davantage la perméabilité.

Cette thèse vise à simuler ces changements microstructuraux à l’aide d’une approche de type champ de phase. Ces modèles ont été utilisés avec succès pour divers processus impliquant des modifications microstructurales. L’avantage majeur de cette méthode est qu’elle permet la simulation de morphologies arbitraires évolutives et de microstructures complexes sans suivre explicitement les interfaces.

Un outil numérique variationnel basé sur le champ de phase sera développé pour étudier le comportement cyclique chimio-hydro-mécanique (CHM) des réservoirs utilisés pour le stockage souterrain d’hydrogène, en mettant l’accent sur la réactivation des discontinuités géologiques. Le cadre variationnel incorporera à la fois la méthode des éléments finis (FEM) et, dans les cas de fortes distorsions, la méthode des points matériels (MPM).

Les résultats de cette recherche amélioreront la compréhension de l’interaction entre les charges cycliques et le comportement des failles dans les réservoirs géologiques, fournissant des informations précieuses pour la conception et l’exploitation de solutions de stockage d’hydrogène sûres et efficaces. En outre, les outils numériques développés dans cette thèse contribueront à relever des défis plus larges en géotechnique et géomécanique liés au stockage souterrain de gaz.

L’Alliance européenne EELISA (European Engineering Learning Innovation & Science Alliance) est un consortium de dix établissements d’enseignement supérieur (écoles d’ingénieurs, universités techniques et pluridisciplinaires) répartis dans huit pays européens, animé par l’ambition commune de définir et de mettre en œuvre un modèle commun d’ingénieur européen ancré dans la société, et de rapprocher ingénierie, sciences et sciences humaines au service de sociétés inclusives, durables et numériques.

Ce poste est financé dans le cadre de l’Université européenne EELISA.

La première partie de la thèse se déroulera à l’ENPC, la seconde partie à Caminos, UPM.

Titulaire d'un Master 2 en génie civil, géomécanique, mécanique des milieux continus, géosciences, modélisation numérique, en sciences de l'environnement ou domaine équivalent.

Compétences techniques:

• Solides compétences en modélisation numérique, notamment éléments finis (FEM).
• Connaissances souhaitées en méthode des points matériels (MPM) et/ou modélisation par champ de phase.

Aptitudes personnelles:

• Rigueur scientifique, autonomie, capacité d’analyse.

• Goût pour la recherche appliquée et la résolution de problèmes complexes.

• Capacité à travailler en équipe dans un environnement pluridisciplinaire.

• Bon niveau d’anglais scientifique (écrit/oral).