MINES-UE14-miniprojet
Étanchéité d'une cavité saline à l'hydrogène
(Encadrant : Murad ABUAISHA)
Contexte général
La France s’est engagée depuis plusieurs années dans une politique de transition énergétique pour une croissance verte avec comme objectif de construire une économie décarbonée et compétitive au moyen des énergies renouvelables. Compte tenu de leur caractère, le développement de ces énergies doit s'accompagner de la mise en œuvre de stockages de grandes capacités afin de réguler les écarts entre les flux de production et la demande. Parmi les méthodes envisagées, l'électricité fournie est utilisée pour produire des gaz qui sont stockés massivement dans des réservoirs géologiques. Un intérêt particulier est porté à l’hydrogène car présente de nombreux avantages tant d’un point de vue énergétique (haut potentiel calorifique, transport efficace, ressource illimitée) que politique (réduction de la dépendance aux pays producteurs d'hydrocarbures) ou environnemental (pas d’émission de CO2 ni de particules fines lors de sa combustion).
Le stockage en cavités salines constitue une solution particulièrement intéressante en raison de sa souplesse d’utilisation. De grandes quantités de gaz peuvent être stockées en toute sécurité à des pressions élevées et en cas de besoin soutirées très rapidement. La solubilité du sel dans l'eau permet le creusement des cavités par dissolution et ses propriétés spécifiques garantissent la stabilité et l'étanchéité du stockage.
L'émergence des énergies renouvelables amène les nouveaux stockages à être exploités avec des cycles de plus en plus rapides. Ces nouvelles conditions nécessitent une étude plus approfondie du stockage pour optimiser son exploitation et garantir sa sécurité.
Sujet
L’étanchéité de la cavité et du puits est une préoccupation essentielle du point de vue de la sécurité et de l’efficacité du stockage. Cette propriété est vérifiée en procédant à un essai normalisé d’étanchéité à l’azote. Cet essai permet de tester spécifiquement le puits d’accès jusqu’au sabot du dernier cuvelage cimenté aux terrains et même en-dessous, dans la partie découverte du sondage située immédiatement sous le sabot (zone généralement vulnérable du point de vue de l’étanchéité).
L’essai consiste à injecter une petite quantité additionnelle de saumure dans la cavité pour obtenir une pression proche de la valeur d’essai (pré-pressurisation), puis à remplir l’espace annulaire d’azote (gaz neutre). On y crée ainsi une interface gaz-saumure de faible section horizontale. La pression d’essai est en général un peu supérieure à la pression maximale de service. On suit alors l’évolution de la profondeur de l’interface pendant une durée fixée (3 jours par exemple) au moyen d’un outil diagraphique descendu dans le tube central.
Compte tenu des perspectives de développement du stockage d'hydrogène en cavités salines, il est envisagé de faire l'essai d'étanchéité avec ce gaz à la place de l'azote (Figure 1). La molécule d’hydrogène présente des propriétés physiques et thermodynamiques distinctes de celles de l’azote, il est nécessaire de réfléchir sur les phénomènes qui interviennent au cours de l'essai pour les prendre en compte dans son interprétation : dissolution du gaz dans la saumure, perméation de l'hydrogène dans le sel.
Le stage proposé consiste à analyser l'essai d'étanchéité et à étudier les phénomènes de perte, i.e. de dissolution et de perméation, en s'appuyant sur les derniers travaux effectués par les centres de Géosciences et de Thermodynamique des Procédés de MINES ParisTech.
Figure 1 : Principe de l’essai d'étanchéité à l’azote ou à
l'hydrogène##