Description

CONTEXTE
La demande croissante de stockage d'hydrogène à grande échelle pour accompagner la transition énergétique nécessite des solutions de stockage souterrain innovantes. Les cavernes minières revêtues (CMRT) représentent une option prometteuse pour le stockage de l'hydrogène gazeux. Cependant, garantir la sécurité et l'intégrité de ces installations de stockage nécessite une compréhension approfondie du comportement géomécanique de la roche environnante sous des conditions cycliques de pression et de température, ainsi que face aux aléas naturels tels que les tremblements de terre et autres scénarios de risques industriels majeurs.

TRAVAUX DE THÈSE
Cette thèse vise à étudier le comportement géomécanique de la roche environnante dans les CMRT, à modéliser la distribution des contraintes au sein du revêtement en acier et de la roche environnante, et à évaluer les risques associés afin d'améliorer la sécurité et l'efficacité du stockage de l'hydrogène.
Les travaux de recherche consistent en une modélisation purement théorique et numérique des processus. Après l'inventaire des différents phénomènes thermo-hydro-mécaniques susceptibles de se produire autour de la CMRT et dans ses composants de revêtement (couches de béton et d'acier), des études bibliographiques seront menées afin de déterminer les lois de comportement de ces phénomènes et leurs modèles de couplage. Des analyses préliminaires devraient permettre de déterminer les phénomènes dominants ayant un effet déterminant sur la fissuration, l'endommagement et la fatigue des différents composants et, plus généralement, sur l'intégrité du stockage. La modélisation numérique prendra en compte ces phénomènes dominants dans la caractérisation de la roche entourant la caverne et des composants du revêtement. La modélisation numérique peut être réalisée par le logiciel Disroc, un code de calcul aux éléments finis (MEF) pour les processus THM couplés se produisant dans les matériaux et les structures, et qui peut intégrer la présence de discontinuités telles que les fissures, les fractures et les interfaces dans les processus. L'analyse numérique doit déterminer les risques encourus par le MLRC et son intégrité à court et long terme pour différentes sollicitations THM auxquelles il est soumis lors des opérations de stockage d'hydrogène, ainsi que pour les sollicitations dynamiques dues aux séismes.
Les travaux de recherche porteront notamment sur :
- Caractérisation de la réponse du massif rocheux aux chargements cycliques et aux fluctuations thermiques ;
- Etude de l'impact de la présence de pression d'eau dans le massif rocheux.
- Utilisation du logiciel FEM Disroc pour modéliser les contraintes dans le revêtement en acier, en tenant compte de différentes géométries, lithologies et scénarios de chargement.
- Simulation de la propagation des fissures dans le revêtement en acier sous des charges cycliques de pression et de température, en tenant compte des différents niveaux de fragilisation par l'hydrogène (selon une expertise externe).
- Modélisation de la fatigue et de la propagation des fissures dans le revêtement en béton et la formation rocheuse adjacente.
- Évaluation des risques sismiques, notamment sur les lignes de raccordement et les puits de forage.
- Proposition d'améliorations de conception et de directives opérationnelles pour minimiser les risques.

Compétences requises

Le candidat doit être titulaire d'un Master en Mécanique, Géotechnique ou Géomécanique et posséder une forte motivation et des compétences pour la recherche par modélisation numérique en géomécanique et structures souterraines.

Bibliographie

- Masoudi, M., Hassanpouryouzband, A., Hellevang, H. & Haszeldine, R. S. (2024). Lined rock caverns: A hydrogen storage solution.
- Sharma, I.V. & Badry, P. (2018) Analysis of Underground Lined Rock Cavern. International Journal of Engineering & Technology, 7 (3.35) (2018) 65-67.
- Pouya, A. & Bemani Yazdi, P., A damage-plasticity model for cohesive fractures (2015) Int. J. Rock Mechanics & Mining Sciences 73(2015)194-202.
- Lee, D.-H., Lee, H.-S., Kim, H.-Y., & Gatelier N., Measurements and analysis of rock mass responses around a pilot lined rock cavern for LNG underground storage, in: ISRM EUROCK; ISRM, 2005 p ISRM-EUROCK.

Mots clés

Sockage souterrain, Géomécanique, Hydrogène, Calcul des structures