Parmi les options en cours d’investigation, le stockage souterrain de l'hydrogène dans les formations sédimentaires comme les grès pourrait offrir un potentiel unique pour stocker de grandes quantités d'énergie. L'évaluation des modalités de stockage souterrain de l'hydrogène nécessite donc à la fois une connaissance précise des transformations minéralogiques dues à la présence de l'hydrogène et l’acquisition de données sur le comportement hydrodynamique des fluides. Par conséquent, cette étude se composera de trois parties : 1- Etude des interactions géochimiques de l’hydrogène dans des formations sédimentaires gréseuses : Les produits expérimentaux portent la marque d'une réaction très limitée entre les minéraux du grès et l'hydrogène. Si les résultats expérimentaux sont combinés aux résultats numériques, l’étude démontre que l'hydrogène, une fois injecté, peut être considéré comme relativement inerte. De façon globale, nos résultats renforcent la faisabilité du confinement de l'hydrogène dans des réservoirs géologiques comme les grès. 2- Etude de la migration de l'hydrogène dans les grès : détermination de la perméabilité relative et de la pression capillaire du système hydrogène-eau : Afin de fournir des données quantitatives pour le développement du stockage souterrain de l'hydrogène, la pression capillaire et la perméabilité relative ont été mesurées pour le système hydrogène-eau en deux conditions potentielles. Les résultats indiquent que les données obtenues sont applicables à l’ensemble des conditions de stockage de l'hydrogène. 3- Modélisation numérique d’un site de stockage géologique d’hydrogène : La simulation numérique a été effectuée pour caractériser l'évolution dynamique d’un site de stockage d'hydrogène pur. Une fluctuation saisonnière du fonctionnement du réservoir et l'effet des fuites d'hydrogène dus aux réactions ont été pris en compte. / Underground hydrogen storage has been introduced as storage solution for renewable energy systems as it offers a unique potential to store large amounts of energy, especially in sedimentary formations such as sandstones. However, evaluating the underground hydrogen storage requires a precise knowledge of the hydrodynamic behavior of the fluids and of mineralogical transformations due to the presence of hydrogen that may affect the storage properties. Therefore, this study is consists in three parts: 1- Study of geochemical reactivity of hydrogen in sandstone sedimentary formations: The experimental products bear the mark of only very limited reaction between sandstone minerals and hydrogen. Taken together with the numerical results, this study demonstrates that hydrogen, once injected, can be considered as relatively inert. Overall, our results support the feasibility of hydrogen confinement in geological reservoirs such as sandstones. 2- Study of the migration of hydrogen in sandstone: determination of relative permeability and capillary pressure of hydrogen-water system: To provide quantitative data for the development of underground hydrogen storage, capillary pressures and relative permeabilities of hydrogen-water system have been measured at two potential conditions. The interpretation of the results would suggest that the obtained data are applicable for the entire range of hydrogen storage conditions. Interfacial tensions and contact angles for the hydrogen-water system have been also derived. 3- Numerical simulation of a geological hydrogen storage site: The numerical simulation was performed to characterize the evolution of pure hydrogen storage, by considering the seasonal fluctuation of renewable energy and the effect of hydrogen loses due to the biotic reactions.

Flow and transport phenomena in the subsurface often span a wide range of length (nanometers to kilometers) and time (nanoseconds to years) scales, and frequently arise in applications of CO₂ sequestration, pollutant transport, and near-well acid stimulation. Reliable field-scale predictions depend on our predictive capacity at each individual scale as well as our ability to accurately propagate information across scales. Pore-scale modeling (coupled with experiments) has assumed an important role in improving our fundamental understanding at the small scale, and is frequently used to inform/guide modeling efforts at larger scales. Among the various methods, there often exists a trade-off between computational efficiency/simplicity and accuracy. While high-resolution methods are very accurate, they are computationally limited to relatively small domains. Since macroscopic properties of a porous medium are statistically representative only when sample sizes are sufficiently large, simple and efficient pore-scale methods are more attractive. In this work, two Eulerian pore-network models for simulating single-phase flow and solute transport are developed. The models focus on capturing two key pore-level mechanisms: a) partial mixing within pores (large void volumes), and b) shear dispersion within throats (narrow constrictions connecting the pores), which are shown to have a substantial impact on transverse and longitudinal dispersion coefficients at the macro scale. The models are verified with high-resolution pore-scale methods and validated against micromodel experiments as well as experimental data from the literature. Studies regarding the significance of different pore-level mixing assumptions (perfect mixing vs. partial mixing) in disordered media, as well as the predictive capacity of network modeling as a whole for ordered media are conducted. A mortar domain decomposition framework is additionally developed, under which efficient and accurate simulations on even larger and highly heterogeneous pore-scale domains are feasible. The mortar methods are verified and parallel scalability is demonstrated. It is shown that they can be used as “hybrid” methods for coupling localized pore-scale inclusions to a surrounding continuum (when insufficient scale separation exists). The framework further permits multi-model simulations within the same computational domain. An application of the methods studying “emergent” behavior during calcite precipitation in the context of geologic CO₂ sequestration is provided. / text

[Truncated abstract] As mineral deposits continue to be mined, the non economic gangue materials such as sulphides (e.g. pyrite) that are extracted as part of the ore body or overburden are deposited within the waste rock and/or milled tailings. As a result of natural weathering processes, these reactive materials represent a potential hazard to surrounding environments. A major consequence, resulting from mine-waste impoundments containing sulphidic materials, relates to the offsite movement of low pH leachates containing elevated concentrations of metal ions posing a contamination threat. The processes and mechanisms acting in the formation of acid mine drainage (AMD) are highly variable and, to a high extent, controlled by climatic conditions as the main driver of water flow and wetness of the system which in turn determines the availability of oxygen as well as water for pyrite weathering. In particular, this thesis is based on the hypothesis that in semiarid and arid climates the acid production may be water … The experiments were repeated at different water contents ranging from 0.24 to 0.33 cm3 cm-3. Breakthrough curves (BTC) of Li+, K+, Ca2+, Mg2+, Na+ and pH were measured and described with models of different complexities. This included the use of a simple linear and non-linear isotherms for Li+ alone, a binary Li+ - K+ ion exchange, and a complete multicomponent chemical equilibrium description of ion transport. The latter, by including dissolution of primary minerals which released base cations such as Mg2+, Ca2+ and K+ explained some of the elution patterns of base cations for which the Li+ - K+ exchange was the dominant process. Furthermore, under unsaturated water flow conditions, retardation of Li+ increased with decreasing water content. Thus solute mobility in mafic rock tailings appears to decrease under strongly unsaturated water flow conditions.

Les activités humaines dans la subsurface se développent rapidement (stockage de déchets,nouvelles techniques minières, stockage à haute fréquence de l’énergie), alors que dans le même temps les attentes du public et des autorités s’intensifient. L’évaluation de chaque étape de ces opérations souterraines repose sur des études détaillées de la sûreté et des impacts environnementaux.Elles reposent sur des simulateurs élaborés et sur de la modélisation multiphysique. Avec leur approche orientée processus, les simulations en transport réactifs proposent une méthode efficace pour comprendre et prévoir le comportement de ces systèmes complexes, à différentes échelles de temps et d’espace.Le but de ce travail est d’intégrer la résolution de l’écoulement diphasique compressible dans le cadre de codes de transport réactifs à l’aide d’une méthode de séparation d’opérateurs. Un module multiphasique a été créé dans le code de transport réactif HYTEC. Une nouvelle approche a ensuite été développée pour coupler écoulement multicomposant multiphasique compressible, description de propriétés thermo-dynamiques complexes pour les fluides, avec des codes de transport réactif. La méthode a été intégrée dans HYTEC. Des cas de validation sont proposés, puis des exemples d’application pour la simulation du stockage souterrain de CO2 et des impuretés associées. / Human activity in the subsurface has rapidly been expanding and diversifying (waste disposal, new mining technologies, high-frequency storage of energy), while the public and regulatory expectations keep growing. The assessment of each step of underground operations requires careful safety and environmental impact evaluations. They rely on elaborate simulators and multiphysics modeling. With its process-based approach, reactive transport simulation provides an effective way to understand and predict the behavior of such complex systems at different time and spatial scale.This work aims at incorporating a compressible multiphase flow into conventional reactive transport framework by an operator splitting approach. A multiphase flow module is developed in the HYTEC reactive transport software. A new approach is then developed to fully couple multiphase multicomponent compressible flow, the complex thermodynamic description of the fluid properties, with existing reactive transport codes. The method is implemented in HYTEC. Some validation is provided, before application to the simulation of underground storage of CO2 and associated impurities.

Dans cette thèse, nous développons le modèle phénoménologique optimisé de lessivage chimique in situ (ISL) de l'uranium par l'injection d'acide sulfurique, en prenant en compte la précipitation des espèces non-solubles telles que le gypse, qui réduisent la récupération de l'uranium. Le modèle proposé décrit le transport de masse avec des réactions chimiques hétérogènes entre le liquide et les roches solides, qui mènent à la dissolution des oxydes d'uranium et à la récupération de l'uranium sous forme liquide. Ce modèle comprend à la fois des réactions utiles, qui décrivent la dissolution de divers types d'oxydes d'uranium, et les réactions néfastes qui conduisent à la précipitation des sédiments solides (gypse), dont les flocons couvrent la surface de canaux poreux et réduisent l'efficacité des réactions utiles. Parmi les résultats qualitatifs, nous avons révélé l'existence d'un taux critique de sédimentation de gypse, en dessous duquel la récupération ultime de l'uranium est complète. En revanche, elle tend à une valeur limite inférieure à 100% lorsque le taux de sédimentation est supérieur à la valeur critique. Ce taux de récupération limite dépend de divers paramètres du processus. La théorie et la méthodologie développées dans ce travail peuvent être facilement étendues et appliquées aux autres types de minerais qui sont récupérés par la méthode de lessivage in situ, et autres types de solvant / In the present thesis we develop the optimized phenomenological model of in-situ chemical leaching (ISL) of uranium by the injection of sulfuric acid, with special account for the precipitation of non-soluble species as gypsum, which reduces the uranium recovery. The suggested model describes the mass transport with heterogeneous chemical reactions between liquid and solid rocks, leading to dissolve uranium oxides and recover uranium in liquid form. It includes both useful reactions, describing the dissolution of various kinds of uranium oxides, and detrimental reactions, leading to the precipitation of solid sediments (gypsum), whose flakes cover the surface of porous channels and reduce the efficiency of useful reactions. Among the qualitative results we revealed the existence of a critical rate of gypsum sedimentation, below which the ultimate uranium recovery is complete. In contrast, it tends to a limit value lower than 100% when the sedimentation rate is higher than the critical value. This limit recovery depends on various parameters of the process. The theory and the methodology developed in this work can be easily extended and applied on other type of ores that are recovered by in-situ leaching method and other types of solvents

En vue de contrôler les émissions de gaz à effet de serre, il est envisagé d’injecter du CO2 dans des réservoirs géologiques. Or le CO2 n'est pas un gaz inerte. En modifiant la composition chimique de l'eau in situ, il est à l'origine d'interactions roche/fluide. Ces réactions géochimiques impactent les propriétés d'écoulement. Aussi, pour s'assurer de la viabilité et de la pérennité du stockage, les opérateurs ont besoin de simulations tenant compte de ces écoulements réactifs. Cependant les paramètres de l'équation macroscopique de transport utilisée sont affectés par les réactions surfaciques. Or, ces spécificités dues au transfert de masse ne sont pas prises en compte actuellement. De même, la loi perméabilité-porosité (K-F) n’est estimée que semi-empiriquement. Le but de cette thèse a été de développer une méthode pour obtenir les coefficients macroscopiques précédents et les relations K-F, en résolvant les équations gouvernant les phénomènes à l'échelle du pore. Pour ce faire, nous avons utilisé l'approche réseau de pores. L'avantage du modèle réseau est qu'il prend en compte explicitement la structure tout en conceptualisant cette dernière à un ensemble de pores et de canaux à la morphologie simplifiée (sphères, cylindres). L'étude est basée sur deux changements d'échelles successifs : du local au pore, puis du pore à la carotte. Le problème de transport réactif est résolu pour des éléments basiques, analytiquement ou numériquement. Puis, en faisant appel aux solutions précédemment trouvées, le transport réactif est traité sur l'ensemble du réseau. Notre model fut validé par des observations sur micromodèles, puis à l'aide d'une expérience d'altération acide / The geological storage of CO2 is considered as an attractive option to reduce the greenhouse gas emissions in the atmosphere. CO2 is not an inert gas, however. Its dissolution in brine forms a weak acid that has the potential to react with the host rock formation. The induced pores structure modification impacts the flow properties. Thus, to ensure the viability and sustainability of CO2 storage, operators need simulations that take into account the specificities of reactive transport. However, the macroscopic coefficients of the reactive transport equation are modified from the values of an inert tracer by surface reactions. These specificities due to mass transfer are currently not considered. Similarly, the permeability-porosity (K-F) relationship is only estimated semi-empirically. The aim of this thesis was to develop a method to obtain the macroscopic coefficients and the K-F laws, by solving the equations governing the pore-scale phenomena. To do this, we used the Pore Network Modelling approach (PNM). The advantage of the PNM is that it explicitly takes into account the pore structure, while conceptualizing the latter to a set of pores and throats whose morphology is simplified into spheres or cylinders for instance. The study is based into two successive upscalings: from local-scale to pore-scale, then from pore-scale to core-scale. The reactive transport problem is solved for basic elements, analytically or numerically. Then, using the solutions previously found at the pore scale, the reactive transport phenomena are treated throughout the network. Our model was validated by observations on micromodels and by a comparison with an acid-induced alteration experiment

Une solution prometteuse pour diminuer les émissions anthropogéniques de gaz à effet de serre consiste à injecter une partie des rejets industriels de CO2 dans des formations souterraines. Celles-ci comportent un réservoir entouré de roches de couverture, qui constituent la première barrière à la migration des fluides. La caractérisation de leurs propriétés de confinement et de leur évolution en présence de CO2 est donc un élément clé de la sécurité d’un site de stockage. Le travail présenté propose une méthodologie, appliquée ici à des roches carbonatées du bassin parisien, permettant de mesurer les paramètres de transport de roches de couverture et les conséquences d’un vieillissement en conditions représentatives de celles d’un stockage en aquifère profond. La pression de percée, le coefficient de diffusion des produits de dissolution du CO2, et la perméabilité, paramètres contrôlant les principaux mécanismes de fuite, ont été mesurés avant et après altération des matériaux par réaction avec une saumure saturée en CO2 dans des conditions thermodynamiques typiques d’un réservoir (environ 80°C et 100 bar). Les résultats obtenus ont révélé un bon comportement global des roches, mais également une forte diminution du potentiel de confinement en présence de défauts structurels initiaux (fractures rebouchées, pores de grand diamètre...). Une simulation numérique décrivant les évolutions de la formation rocheuse non-fissurée sur une durée de 1000 ans a été réalisée en s’appuyant sur des paramètres mesurés directement ou obtenus par modélisation des essais d’altération. Elle a montré que les transformations engendrées par le stockage de CO2 sous une roche de couverture homogène restent très limitées spatialement / A promising solution to reduce anthropogenic emissions of greenhouse effect gases consists in the injection and long-term storage of a part of the industrial carbon dioxide discharges in underground formations. These formations must be composed of a reservoir surrounded by tight caprocks, which represent the first barrier preventing fluids migration. The characterization of their confining properties and of their evolution in presence of CO2 is thus a key element regarding a storage site security. This work presents a methodology allowing the measurement of caprocks transport parameters and the consequences of an alteration under representative conditions of deep aquifers storage. This methodology was applied to carbonate rocks from the Paris basin. The breakthrough pressure, the diffusion coefficient of CO2 dissolution products, and the permeability, controlling parameters of leakage mechanisms, were measured before and after alteration of the materials by reaction with a CO2-saturated brine under reservoir thermodynamic conditions (about 80°C and 100 bar). Results revealed a satisfactory global behaviour under these aggressive conditions, but also a strong diminution of the confinement potential in presence of initial structural faults (sealed fractures, large-diameter pores…) forming higher-permeability zones. A numeric simulation describing the evolution of a homogeneous rock formation during 1000 years was also realized based on parameters directly measured or obtained by modelling of the alteration experiments. It showed that the transformations brought by the CO2 storage under a rock formation with no initial faults remain very localized spatially

In der vorliegenden Arbeit wurde die Methode der magnetischen Kernspinresonanz (NMR) eingesetzt, um beim Schadstoffabbau stattfindende Prozesse und geochemische Reaktionen zerstörungs- und beprobungsfrei zu untersuchen. Dies ist möglich, da die gelösten Elektronenakzeptoren Sauerstoff und Eisen paramagnetisch sind und somit einen Ein uss auf die NMRRelaxationszeiten ausüben. Der lineare Zusammenhang zwischen der gelösten Sauerstoff- beziehungsweise Eisen-Konzentration und den NMR-Relaxationsraten 1/T1 und 1/T2 wurde quantifiziert. Weiterhin wurde der bereits bekannte Einfluss der Matrixoberflächen von porösen Medien auf die Relaxation von Wasser nachgewiesen. Die paramagnetischen Zentren auf Sandoberflächen führen ebenfalls zu einer Verkürzung der Relaxationszeiten. Es wurde gezeigt, dass die kleinsten Korngrößen der verwendeten Sande den größten Einfluss auf die Oberflächenrelaxation haben. Wird die Oberflächenrelaxation berücksichtigt, ist auch in porösen Medien die ermittelte lineare Abhängigkeit der Relaxationszeiten von der Ionenkonzentration anwendbar, um den Gehalt an gelösten paramagnetischen Ionen aus Relaxationsmessungen zu ermitteln. Beispielhaft wurde der Anstieg der Eisen(III)-Konzentration in der Porenlösung von natürlichen Sanden infolge der Auflösung eisenhaltiger Mineralien von den Oberflächen zeitlich und räumlich detailliert betrachtet. Eine durchgeführte Modellierung zeigte, dass das Reaktionssystem zu Beginn der Reaktion von der Diffusion dominiert wird, am Ende dann die Reaktionsgeschwindigkeit der bestimmende Parameter ist. Die beim biologischen Schadstoffabbau auftretenden Redoxprozesse des Eisens wurden durch rein chemische Reaktionen unter Verwendung von Oxidations- und Reduktionsmitteln simuliert. Die zeitlich und räumlich detaillierte Beobachtung des Anstiegs beziehungsweise des Abfalls der gelösten Eisen(III)-Konzentration in der (Poren-)Lösung war mit NMR-Relaxometrie trotz der Schnelligkeit der Reaktionen möglich. Mit Hilfe der anschliessenden Modellierung wurde der wichtige Einfluss des pH-Wertes auf den genauen Ablauf der Reaktionen deutlich gemacht. Nur in sehr sauren pH-Bereichen (pH < 3) liegen die Eisen(III)-Ionen in Lösung vor. Weiterhin wurde der Einfluss der Mikroorganismen selbst auf die NMR-Relaxations- und Diffusionsmessungen untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit wurde an Medien mit Lactobacillus und Penicillium eine Verschiebungen in den Relaxationszeitverteilungen hin zu kleineren Relaxationszeiten gemessen. Dies basiert auf der bereits bekannten Verringerung der Mobilität der Spins innerhalb der Biomasse. Für Bakterien von Geobacter metallireducens konnte erstmals der Verbrauch von Eisen(III)-Ionen durch Reduktion während des Wachstum anhand der ansteigenden T2-Relaxationszeit gezeigt werden.

Non-isothermal compositional two-phase flow is considered to be one of the fundamental physical processes in the field of water resources research. The strong non-linearity and discontinuity emerging from phase transition phenomena pose a serious challenge for numerical modeling. Recently, Lauser et al.[1] has proposed a numerical scheme, namely the Nonlinear Complementary Problem (NCP), to handle this strong non-linearity. In this work, the NCP is implemented at both local and global levels of a Finite element algorithm. In the former case, the NCP is integrated into the local thermodynamic equilibrium calculation. While in the latter one, it is formulated as one of the governing equations. The two different formulations have been investigated through several well established benchmarks and analyzed for their efficiency and robustness. In the second part of the thesis, the presented numerical formulations are applied for application and process studies in the context of nuclear waste disposal in Switzerland. Application studies comprehend the coupling between multiphase transport model and complex bio-geo-chemical process to investigate the degradation of concrete material due to two major reactions: carbonation and Aggregate Silica Reaction(ASR). The chemical processes are simplified into a lookup table and cast into the transport model via source and sink term. The efficiency and robustness of the look-up table are further compared with a fully reactive transport model.

The focus of this work is to investigate the dissolution of MW25, a non-radioactive simulant of UK high-level nuclear waste borosilicate glass, and to predict its performance in the near field of a geological repository. A single-pass flow-through (SPFT) experimental system was used to measure the forward dissolution rates of MW25. Experiments were conducted in two parts. Experiment Part 1 considers the dissolution of the waste glass in deionised water at 40 and 90 oC and circum-neutral pH. Experiment Part 2 considers the dissolution of the waste glass in simulant groundwaters, with similar compositions to groundwaters of Callovo-Oxfordian clay (lower-strength sedimentary rock (LSSR)) and Borrowdale Volcanic Group rocks (higher-strength rock (HSR)), at 40 oC and pH 7. The forward dissolution rate measured in deionised water was found to be approximately one order of magnitude higher at 90 oC than at 40 oC. A similar release was observed for Si, Mg and Al at 40 oC and 90 oC, whereas the B, Cs, Na, Li and Mo showed an order of magnitude increase when the temperature was increased from 40 to 90 oC for low q/S values. The activation energy (Ea) of the reactions shows that the dissolution process is a surface phenomenon. At 90 oC the net effect of the processes governing MW25 dissolution led to the preferential release of boron and alkali metals relative to the release of Si during the transient dissolution stage, accompanied by an increase in the concentration of silicic acid. This suggests that the solution activity of silicic acid at a higher temperature has a weak influence on the release of the mobile elements. The forward dissolution rate measured in LSSR simulant groundwater was found to be slightly higher than that measured in HSR simulant groundwater. The dissolution behaviour of MW25 in both groundwaters is consistent with its behaviour in deionised water at 40 oC, with the dissolution rates of elements increasing as flow rates were increased. However, forward dissolution rates measured in the simulant groundwaters were lower than the forward dissolution rates measured in deionised water under these experimental conditions. This is attributable to the interaction of the components of the simulant groundwaters with the glass, as revealed by post-reaction surface analyses, and a consequential lower alkalinity of the leachates collected in the experiments with simulant groundwater than in deionised water. Reactive chemical transport simulations of waste glass dissolution and radionuclide release in a hypothetical near field were conducted over a time span of a million years with GoldSim. The results showed that enclosing the waste glass in a steel canister covered by a copper canister and emplacing the waste package in a granite host rock is optimal for the long-term isolation of the radionuclides. The waste glass was found to play a significant role in the overall performance of the near field. This study features a new method for estimating the surface area of reacted glass powder more accurately than the geometric surface area estimate, which is the preferred standard method among researchers.