Description

CONTEXTE
Cette thèse de doctorat s’inscrit dans le cadre du projet européen FrHyGe (Full Qualification in France of Large-Scale Hydrogen Underground Storage and Replication from Germany to All European Countries) partiellement financé par le Clean Hydrogen Partnership n°101137892. Le stockage d’hydrogène dans des cavités salines souterraines présente des défis spécifiques, en particulier dans les régions exposées à la sismicité naturelle et induite. La sécurité et la stabilité de ces systèmes de stockage sous chargement sismique nécessitent une compréhension approfondie de leurs réponses géomécaniques et géophysiques, au-delà du site spécifique de Manosque, afin d’éclairer des applications à l’échelle européenne.
Manosque, située dans le sud-est de la France, constitue une étude de cas clé en raison de son historique sismique, notamment les séismes de 1509 et 1708, qui ont causé d’importants dégâts structurels. Ces événements soulignent la nécessité d’analyser les interactions dynamiques entre les ondes sismiques, les cavités salines et les infrastructures de puits. Des méthodologies existantes, notamment celles basées sur des solutions semi-analytiques (Kurosé, 2023), qui explorent la diffraction des ondes, les spectres de réponse dynamique et les impacts mécaniques dans des roches hôtes élastiques et anisotropes. En adaptant et en étendant ces approches à des milieux viscoplastique tel que le sel, cette recherche vise à établir un cadre scientifique robuste pour évaluer l’intégrité mécanique des cavités salines et des puits dans le cas de sollicitations sismiques extrêmes.
TRAVAIL DE THÈSE
Cette thèse vise à enrichir la compréhension/connaissance scientifique des mécanismes liés aux sollicitations sismiques sur les systèmes de stockage souterrain d’hydrogène. Cet enrichissement s’appuiera notamment sur des analyses et développements s’inscrivant dans le domaine/discipline de la géophysique et de la géomécanique .
Les principaux objectifs de ces recherches sont :
- Analyses qualitatives et quantitatives des données sismiques historiques de la région de Manosque et éventuellement d’autres sites pertinents. De ces analyses nous définirons des scénarios sismiques représentatifs, incluant des événements naturels et induits, qui seront utilisés dans les simulations numériques.
- Modélisation numérique avancée : Développer des modèles numériques tridimensionnels pour simuler la propagation, la diffraction et l’interaction des ondes sismiques avec les cavités salines (vides, sous pressions, etc.). Ces modèles intégreront des modèles de comportement relativement élaborés, telles que des modèles viscoplastiques et endommageables, afin de mieux représenter le comportement mécanique du sel sous conditions dynamiques.
- Analyse de l’endommagement et de la fracturation en quasistatique mais sous l’effet des sollicitations identifiées par l’analyse dynamique. Cette analyse inclura à la fois des modèles continus se basant sur le post-traitement des contraintes et des modèles introduisant les fractures de manière explicite,
- Analyse de la réponse dynamique : Étudier le comportement de l’ouvrage en analysant la distribution et évolution temporelle du champ de contraintes, les points singuliers où la concentration des contraintes se développe, les champs de déformation, les mécanismes d’endommagement et de rupture, etc. des cavités salines et des puits soumis à un chargement sismique. Cette analyse s’appuiera sur des spectres de réponse caractérisés plus haut pour quantifier les effets dynamiques et identifier les conditions de chargement critiques. On considérera les spectres de réponses des cavités avec différents niveaux de remplissage et on examinera leurs effets afin de déterminer les cas les plus critiques.
- Extraire/déterminations des caractéristiques (grandeurs) physiques et géométriques pertinentes dans le cadre d’une telle sollicitation.

Compétences requises

Le candidat doit avoir un Master en Mécanique, Géotechnique ou Géomécanique et posséder une forte motivation et des compétences pour la recherche par la modélisation numérique en géomécanique et ouvrages souterrains.

Bibliographie

Kurose, A. (2000) Effets des séismes sur les ouvrages souterrains. PhD Ecole
Polytechnique, Palaiseau, France, 248 p.
Kurose, A. & Bérest, P (2000). A Concept for Earthquake-Resistant Design of
Underground Structures: Stress Response Spectrum. 4th North American Rock
Mechanics Symposium, 2000, Seattle, United States. pp.1043-1049,
https://hal.science/hal-00116132v1
Lu, L., Shi, Y., Wang, M., Ye, M., Zuo, C., & Shun X. (2025) Seismic performance of salt
cavern gas storage subjected to moderate earthquake loads in compressed CO2 energy
storage scenarios. Energy Reports, vol13, June, Pages 2366-2383,
https://doi.org/10.1016/j.egyr.2025.01.043
Djizanne H., Zapf D., Habbani H., Körner F. & Brouard B. (2025) Advanced constitutive
models for dimensioning salt caverns in Underground Hydrogen Storage. 11th
Conference on the Mechanical Behavior of Salt (SaltMech XI), July 8-10, 2025, in Santa
Fe, New Mexico, USA
Pouya A. & Bemani Yazdi P., A damage-plasticity model for cohesive fractures (2015) Int.
J. Rock Mechanics & Mining Sciences 73(2015)194-202.
Zhu Cheng, Pouya A. & Arson C., (2015) Micro-Macro Analysis and Phenomenological
Modelling of Salt, Viscous Damage and Application to Salt Caverns. Rock Mech Rock
Eng (2015) 48:2567-2580.

Mots clés

Stockage Souterrain, Géomécanique, Hydrogène, Risque Sismique