Analyse du comportement mécanique des cavités minées pour le stockage de l'hydrogène

Topic 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.------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------CONTEXT The increasing demand for large-scale hydrogen storage to support the energy transition requires innovative underground storage solutions. Mined, lined rock caverns (MLRC) represent a promising option for gaseous hydrogen storage. However, ensuring the safety and integrity of these storage facilities requires a thorough understanding of the geomechanical behaviour of the surrounding rock under cyclic pressure and temperature conditions, as well as natural hazards like earthquakes and others major industrial risk scenarios. THESIS WORK This PhD research aims to investigate the geomechanical behaviour of the surrounding rock in MLRCs, model stress distributions within the steel liner and surrounding rock and assess associated risks to improve the safety and efficiency of hydrogen storage. The research work consists of a purely theoretical and numerical modeling of the processes. After the inventory of the different Thermo-Hydro-Mechanical phenomena that may occur around the MLRC and in its lining components (concrete and steel layers), bibliographic studies will be conducted to determine the constitutive laws of these phenomena and their coupling models. Preliminary analyses should make it possible to determine the dominant phenomena having a determining effect on the cracking, damage and fatigue of the different components and, more generally, on the integrity of the storage. The numerical modeling will take into account these dominant phenomena in the characterization of the rock surrounding the cavern and of the lining components. The numerical modeling can be carried out by the Disroc software which is a FEM calculation code for coupled THM processes occurring in materials and structures and which can integrate the presence of discontinuities such as cracks, fractures and interfaces in the processes. Numerical analysis must determine the risks incurred by the MLRC and its short and long term integrity for different THM solicitations MLRC undergoes during hydrogen storage operations as well as dynamic solicitations dues to earthquakes. The research work will involve in particular: - Characterizing the rock mass response to cyclic loading and thermal fluctuations. - Investigating the impact of water pressure presence in the rock mass. - Using the FEM software Disroc to model stresses in the steel liner, considering different geometries, lithologies, and loading scenarios. - Simulating crack propagation in the steel liner under cyclic pressure and temperature loads, accounting for varying levels of hydrogen embrittlement (based on external expertise). - Modeling fatigue and crack propagation in the concrete liner and adjacent rock formation. - Assessing risks posed by earthquakes, particularly on connecting lines and wellbores. - Proposing design improvements and operational guidelines to minimize risk------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Début de la thèse : 01/01/ Funding category Funding further details Financement d'un établissement public Français