Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2010-2011 / Les ressources particulières à l’environnement minier, tel que l’eau inondant des galeries et des stériles exothermiques, permettent de diminuer les coûts d’installation des systèmes de pompes à chaleur géothermique. Les particularités de l’environnement minier posent toutefois un défi de taille lors de la conception d’un système puisque l’approche utilisée doit considérer, par exemple, la conductivité hydraulique accrue par les excavations ou la génération de chaleur provenant de l’oxydation de minéraux. L’objectif de ce projet de recherche est de simuler l’opération de systèmes géothermiques issus de sites miniers dans le but de démontrer les économies d’énergie potentielles et faciliter l’installation des systèmes. Des approches numériques sont développées avec le programme HydroGeoSphere pour application à des études de cas réalisées aux Mines Gaspé à Murdochville et à la Halde Sud de la Mine Doyon en Abitibi. Un système de pompes à chaleur d’aquifère aux Mines Gaspé est optimisé avec un modèle numérique où sont superposés des éléments 1D et 3D pour représenter les excavations. Les simulations démontrent que le système peut être opéré à partir d’anciens puits de ventilation afin d’éviter d’effectuer des forages. Les stériles de la Halde Sud sont d’abord caractérisés avec un test de réponse thermique conventionnel, analysé avec l’équation de la ligne-source et le principe de superposition considérant les variations du taux d’injection de chaleur. Une méthode numérique est aussi développée pour analyser l’essai influencé par l’hétérogénéité des matériaux et le gradient géothermique prononcé. Le mort terrain et le roc sous la halde sont caractérisés à l’aide d’un nouveau test de réponse thermique effectué avec des câbles chauffants. Des simulations numériques reproduisent ensuite la distribution de température lors d’essais types, laquelle devient rapidement homogène durant la période de restitution thermique ce qui permet d’analyser la température dans le forage sans connaître la position du capteur. L’opération d’un système de pompes à chaleur couplées au sol aménagé sous la Halde Sud est finalement simulée. L’optimisation des charges de chauffage indique que l’échangeur de chaleur situé sous les stériles peut fournir plus d’énergie thermique qu’un échangeur situé dans un environnent conventionnel, réduisant la longueur de forage à l’installation. / Resources associated to mining environments, such as mine water and exothermic waste rock, allow a reduction of installation costs of ground source heat pump systems. Compared to other environments, caution is required when designing systems in mining environments because of enhanced hydraulic conductivity created by mine voids or heat generation due to oxidation of minerals. The objective of this study is to simulate the operation of geothermal systems on mine sites to demonstrate energy savings and promote installation. Numerical modeling approaches are developed with the program HydroGeoSphere applied for case studies conducted at the Gaspé Mines in Murdochville and at the South Dump of the Doyon Mine in Abitibi. A groundwater heat pump system at the Gaspé Mines is optimized with a numerical model, where 1D and 3D elements are superposed to adequately represent the mine voids. The simulations show that the system can be operated using former mining shafts to avoid drilling boreholes. Waste rock of the South Dump is initially characterized with a conventional thermal response test analyzed with the lines-source equation and the superposition principle accounting for variations of heat injection rates. A numerical method is also developed to analyze the test that was affected by the heterogeneity of materials and the strong geothermal gradient. The overburden and the host rock below the dump are characterized with a novel thermal response test using heating cables. Numerical simulations then reproduce the temperature distribution during typical tests, which homogenizes rapidly during the recovery period allowing the analysis of temperature inside the borehole without knowing the position of the sensor. The operation of a ground-coupled heat pump system installed under the South Dump is finally simulated. The optimization of heating loads indicates that the heat exchanger located beneath the waste pile can provide more thermal energy than an exchanger located in a conventional environment, reducing bore length required for a given system.

Les géostructures énergétiques sont des ouvrages de génie civil qui intègrent un circuit de fluide caloporteur. Dans cette étude l’installation de circuits géothermiques dans des remblais est envisagé afin d’injecter ou d’extraire de la chaleur. Lors de la construction de ces remblais, deux paramètres sont à contrôler : la teneur en eau w (%) et la masse volumique sèche rd (Mg/m3). Ces deux paramètres ainsi que la nature du sol, le chargement appliqué et la variation cyclique de la température pourraient influencer la capacité de stockage et la stabilité du système. Après une partie synthétisant l’état de l’art sur ces thématiques, cette thèse comprend une partie expérimentale puis une partie numérique appliquée à un cas test de stockage. Dans la partie expérimentale, l’influence de la variation de température induite par l’échange thermique sur les propriétés thermiques et mécaniques du sol est étudiée. Pour cela des essais sont réalisés en laboratoire sur un limon du bassin parisien compacté et soumis à une gamme de variation de température de 20° à 50°C. Les effets de ces variations sur les paramètres mécaniques et les paramètres thermiques sont mesurés. Les résultats obtenus montrent une évolution des paramètres thermiques du matériau du côté sec de la courbe de compactage, particulièrement visible pour les températures importantes. La réversibilité de l’effet du chauffage est obtenue après plusieurs cycles de chauffage-refroidissement. Les propriétés mécaniques mesurées sont la résistance à la compression simple et les paramètres pressiométriques. Pour cela, des essais en laboratoire, à l’échelle métrique, sont réalisés. Un ramollissement du sol sous l’effet du chauffage et une rigidification sous l’effet des cycles thermiques sont constatés. Pour optimiser le système du stockage, une modélisation thermo-hydrique d’un remblai modèle réalisé avec le limon de Plaisir compacté légèrement du côté humide de l’optimum Proctor est effectuée. La comparaison des cas tests a permis de déterminer l’entraxe qui minimise l’interaction entre les sondes thermiques, ainsi que la distance optimale entre les dernières sondes et le pied de remblai. Les scenarii d’injection/extraction étudiés ont montré que le stockage de chaleur dans le remblai est faisable en choisissant un programme thermique adéquat pour l’exploitation du stockage. La mise en place de plusieurs lits de sondes thermiques et d’une isolation thermique sur la partie supérieure du remblai de stockage permet d’augmenter la capacité du remblai à accumuler de la chaleur dans le noyau à la fin de la période de relaxation. La simulation de ce scénario sur 10 ans avec la prise en compte des cycles de température, montre un réchauffement du remblai sur plusieurs années jusqu’à atteindre une évolution équilibrée au bout de la 7 ème année. Arrivé à cet état d’équilibre, l’évolution des températures est reproductible d’une année sur l’autre / Energy geostructures are civil engineering structures equipped with energy exchanger elements in order to store heat seasonally. The aim of this study is the use of compacted soil to store energy through installation of horizontal exchangers in an embankment. During the soil compaction, two parameters were controlled: the water content w and the dry density ρd. This parameters as well as the soil nature, the mechanical load path and the cyclic temperature variation may affect the storage capacity and the system stability. This work includes an experimental part and a modeling part. In the experimental part, the impact of the temperature variation is studied on the thermal and mechanical properties of the compacted soil. The Plaisir loam (PL) extracted from the Paris region was investigated through laboratory tests at a temperatures range of 20 to 50°C. The results showed that the thermal properties of the compacted soils increased on the dry side of the compaction curve. This evolution was clearly confirmed for higher temperatures. The application of cyclic temperature variations showed reversible evolutions in the thermal properties after one cycle. The results of unconfined compressive tests and pressuremeter tests showed that heating induces a softening of the material whereas several temperature cycles induce a stiffening of the material. Thereafter, a coupled thermo-hydraulic modeling of an embankment made of the compacted Plaisir loam is performed in order to optimize the storage system. The comparison of different modelling results, fixed the temperature sensors spacing that minimizes the interactions between them, and the optimal distance between the last sensors and the bottom of the slope. It is shown that if an appropriate thermal program is chosen, the heat storage in the embankment could be possible. A better efficiency of the storage capacity can be reached by introducing 3 temperature sensors rows in the storage and by covering the storage with a thermal insulation. The simulation of this scenario over 10 years including temperature cycles shows a heating of the embankment for several years, until to reach an equilibrium state after the 7th year

Cette thèse s’est déroulée dans le cadre du projet FONGEOSEC, qui vise à développer la filière de la géothermie profonde en France avec la conception d’un démonstrateur d’une centrale de production d’énergie géothermique dans le bassin Rhénan. Ce projet est piloté par Fonroche Géothermie, qui gère un consortium de plus de dix acteurs du milieu académique et industriel. Le financement du projet est réalisé avec participation de l’Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Énergie (ADEME). Ainsi, les travaux exposés dans ce document se sont intéressés à la caractérisation thermodynamique des fluides géothermaux (saumures chaudes contenant des gaz dissous) de la région ciblée par le projet. Il est nécessaire de déterminer la solubilité de chacun des gaz dissous dans ces saumures aux conditions de pression, température et salinité de l’exploitation géothermique. Des modèles thermodynamiques de prévision des équilibres entre phases liquide et vapeur peuvent être utilisés pour estimer ces solubilités. Néanmoins, en absence des mesures expérimentales dans les conditions de pression, température et salinité d’intérêt, pour effectuer la régression de paramètres de ces modèles, il sera difficile d’obtenir avec précision ces solubilités à partir de simulations. Ainsi, cette thèse est centrée sur l’étude expérimentale des solubilités des gaz dans des saumures représentatives des fluides du bassin Rhénan. La gamme de pression de FONGEOSEC va de 6.0 MPa à 40.0 MPa pour des températures de 333.15 K et 453.15 K. Le dispositif expérimental utilisé dans cette thèse fonctionne dans ces conditions. Les gaz dissous dans les saumures visées par le projet sont constitués essentiellement de dioxyde de carbone (CO2), puis d’azote (N2) et enfin de méthane (CH4) en plus faibles quantités. Les sels dissous dans ces fluides sont surtout du chlorure de sodium et du chlorure de calcium, à molalité de 1.2 mol NaCl-0.2 mol CaCl2.Kg H2O-1. Dans cette thèse, nous avons effectué la détermination expérimentale de la solubilité du dioxyde de carbone dans des saumures typiques du bassin Rhénan aux conditions de pression et de température du projet FONGEOSEC. Des réflexions sont proposées quant à une méthodologie d’analyse de solubilité du méthane et de l’azote dans des phases aqueuses. Nous observons aussi que dans les conditions de pression et température de fond du puits, la solubilité du dioxyde de carbone dans les saumures typiques du bassin Rhénan est la plus élevée parmi toutes les conditions caractérisées. Une étude du sating-out effect dans ces saumures est également proposée dans cette thèse. Enfin, il est remarqué que le modèle de Pitzer (Pitzer.dat sur PhreeqC) semble prédire de façon correcte nos mesures expérimentales à 333.15 K, mais il perd son efficacité à 453.15 K. Dans cette condition, le modèle E-NRTL (Simulis®) semblerait être plus approprié. / This thesis was part of the FONGEOSEC project, which aims to develop the deep geothermal energy sector in France through the the design of a geothermal power pilot plant on the Upper Rhine Graben. This project is controled by Fonroche Géothermie, which manages a consortitium of more than ten academic and industrial partners. The French Environment & Energy Management Agency (ADEME) participates at the fundings of the project.Therefore, the work exposed in this document concerns the thermodynamic characterisation of geothermal fluids (hot brines containing dissolved gases) from the target region of this project. It is thus necessary to determine the solubility of each gas dissolved in these brines at the pressure, temperature and salinity conditions of geothermal energy exploitation.Thermodynamic models that predict liquid-vapour phase equilibrium can be used to estimate these solubilities. However, if there is a lack of experimental measures on the pressure, temperature and salinity conditions of interest, it will not be possible to regress these models interaction parameters and, therefore, it will be difficult to have precise solubility results from these thermodynamic simulations. Thus, this thesis has focused on the experimental study of gas solubilities in brines representing the Upper Rhine Graben fluids. The pressure range of the FONGEOSEC project goes from 6.0 MPa to 40.0 MPa for temperatures of 333.15 K and 453.15 K. The experimental setup used on this thesis can operate at these conditions. Dissolved gases in the brines concerned by this project are mainly composed by carbon dioxyde (CO2), and then by nitrgen (N2) and methane (CH4) at lower quantitites. Dissolved salts in these fluids are basically chloride sodium and chloride calcium, at molalities of 1.2 mol NaCl-0.2 mol CaCl2.Kg H2O-1.On the scope of this thesis, we have performed the experimental determination of carbon dioxyde solubility in Upper Rhine Graben-type brines at the pressure and temperature conditions of the FONGEOSEC project. We propose a discussion about an analysis methodology for measuring nitrogen and methane solubility in aqueous phases. We also observed that at the pressure and temperature conditions found at the bottom of the production well, carbon dioxyde solubility in the Upper Rhine Graben-type brines reaches its highest value among all the conditions studied in this thesis. A salting-out effect study in these brines is also proposed in this document. Finally, it is noticed that the Pitzer model (Pitzer.dat at PhreeqC) seems to predict properly our experimental data at 333.15 K, but it is less efficient at 453.15 K. In this condition, the E-NRTL model (Simulis®) seems to be more appropriate.

Évaluer le potentiel géothermique d’une mine inondée est une tâche complexe qui nécessite la réalisation d’un test hydraulique et la modélisation de l’écoulement de l’eau souterraine à travers un réservoir non conventionnel. Cette tâche peut être efficacement complétée en réutilisant les anciennes infrastructures minières. Lors de cette étude, un puits de ventilation débouchant dans les galeries souterraines a été converti en ouvrage de captage d’eau profond. L’ancien puits de ventilation 1100 des Mines Gaspé à Murdochville au Canada a été utilisé pour effectuer un essai de pompage durant 3 semaines à un débit moyen de 0.062 m3/s. L’objectif principal des travaux encourus était d’évaluer le potentiel géothermique du site minier. Lors de l’essai, moins de 3,65 m de rabattement ont été observés et la température moyenne de l’eau pompée a été de 6,7 °C. Le comportement de la nappe souterraine durant l’essai a été reproduit à l’aide d’un modèle d’éléments finis tridimensionnel simulant l’écoulement de l’eau à travers les galeries. Les prédictions du modèle ainsi qu’un bilan énergétique simplifié suggèrent que le taux d’extraction d’énergie durable est atteint à un débit de pompage de 0.049 m3/s, ce qui indique un potentiel géothermique de 765 kW. Cette énergie pourrait être extraite à l’aide de pompes à chaleur géothermiques afin de chauffer les bâtiments du parc industriel de Murdochville. / Assessing the low-temperature geothermal potential of a flooded mine site is a complex task involving hydraulic testing and modelling of an unusual man-made reservoir. It can be achieved efficiently taking advantages of the former mine infrastructures such as mining shaft that provided here a deep well directly connected to the mine workings. The former mining shaft P1100 of the flooded Gaspé Mines near Murdochville, Canada, was used to perform a pumping test during a study with the objective of assessing the geothermal potential of the mine site. Water was pumped during 3 weeks at a rate averaging 0.062 m3/s with a mean recovery temperature equal to 6.7 °C and less than 3.65 m drawdown was observed. The hydraulic response of the pumping test was reproduced with a threedimensional finite element model that simulates groundwater flow through the mine workings. Model predictions and a simplified energy balance calculation suggested that the sustainable energy extraction rate is attained at a pumping rate of 0.049 m3/s which yield a geothermal potential of 765 kW. This energy could be extracted with geothermal heat pumps used for space heating at Murdochville industrial park.

La compréhension des écoulements souterrains est importante pour de nombreuses applications comme l’énergie ou le stockage des déchets nucléaires. Cette thèse, effectuée en collaboration avec le Bureau de Recherches Géologiques et Minières (BRGM), est dédiée à la simulation des écoulements diphasiques compositionnels thermiques en milieux poreux et ses applications à la géothermie haute énergie et plus particulièrement au champ géothermique de Bouillante (Guadeloupe). Tout d’abord, deux formulations à variables persistantes sont comparées en termes d’implémentation et de convergence numérique. Dans ces deux formulations, les fractions molaires d’une phase absente sont étendues par celles à l’équilibre thermodynamique avec la phase présente. Il en résulte que l’ensemble des variables principales et des équations ne dépend pas de l’ensemble de phases présentes. De plus, l’équilibre thermodynamique est exprimé par une contrainte de complémentarité pour chacune des phases, ce qui permet l’utilisation de méthodes de type semi-smooth Newton pour résoudre les systèmes non-linéaires. D’autre part, cette thèse présente une nouvelle méthodologie combinant des discrétisations centrées aux noeuds (le schéma Vertex Approximate Gradient - VAG) et aux faces (le schéma Hybrid Finite Volume - HFV) sur une partition arbitraire des ensembles de mailles ou de faces, dans le but d’adapter le choix du schéma aux différentes parties du maillage. En effet, les maillages hybrides composés de différents types de mailles sont plus adaptés à la discrétisation de la géologie et de la géométrie des différents domaines d’un système géothermique. Ainsi le schéma peut être choisi localement en fonction de la géométrie de la maille et des propriétés pétrophysiques. L’analyse de convergence est effectuée dans le cadre des discrétisations Gradient pour des problèmes de diffusion du second ordre et la convergence est confirmée numériquement sur différents types de maillages hybrides 3D. Ensuite la discrétisation VAG-HFV est étendue au cas des écoulements de Darcy diphasiques non-isothermes compositionnels et est appliquée au cas test 2D représentant le plan de faille vertical du réservoir géothermique de Bouillante. Un autre aspect important de la modélisation des flux géothermiques consiste à prendre en compte les interactions entre le flux dans le milieu poreux et l’atmosphère. Puisque le couplage entre le modèle poreux et un modèle 2D surfacique ou 3D atmosphérique n’est pas réaliste en terme de coût de calcul aux échelles spatiale et temporelle géologiques, l’interaction sol-atmosphère est modélisée grâce à une condition limite prenant en compte l’équilibre de matière et d’énergie à l’interface. Ce modèle considère une couche limite atmosphérique avec transfert convectif molaire et thermique (en supposant l’évaporation de la phase liquide), une condition de débordement liquide aux surfaces d’infiltration, ainsi que le rayonnement thermique et la recharge en eau douce due aux précipitations. Cette condition limite est évaluée à l’aide d’une solution de référence couplant les écoulements non-isothermes liquide-gaz en milieu poreux et le gaz dans le milieu libre. Elle est ensuite étudiée numériquement en terme de convergence et de solution sur des cas tests géothermiques, dont le plan de faille vertical du réservoir géothermique de Bouillante. En complément est présenté le travail issu d’une collaboration lors de l’école d’été du CEMRACS 2016. Le projet consistait à ajouter un modèle de puits multi-branche thermique au code ComPASS, un nouveau simulateur géothermique parallèle basé sur des maillages non-structurés avec la possibilité de représenter des fractures. / The study of the subsurface flows is important for various applications such as energy or nuclear waste storage. This thesis, performed in collaboration with the French Geological Survey (BRGM), is dedicated to the simulation of non-isothermal compositional two-phase flows in porous media and its applications to high-energy geothermal fields and more precisely to the Bouillante field (Guadeloupe, French West Indies). First of all, two persistent variable formulations are compared in terms of implementation and numerical convergence. In these two formulations, the choice of the principal variables is based on with the extension of the phase molar fractions by the one at thermodynamic equilibrium with the present phase. It results that the set of principal variables and equations does not depend on the set of present phases. It also has the advantage to express the thermodynamic equilibrium as complementarity constraints, which allows the use of semi-smooth Newton methods to solve the non-linear systems. Moreover, this thesis presents a new methodology to combine a node-centered discretization (the Vertex Approximate Gradient scheme - VAG) and a face-centered discretization (the Hybrid Finite Volume scheme - HFV) on arbitrary subsets of cells or faces in order to choose the best-suited scheme in different parts of the mesh. Indeed, hybrid meshes composed of different types of cells are best suited to discretize the geology and geometry of the different parts of the geothermal system. Then, the scheme is adapted locally to the type of mesh/ cells and to petrophysical properties. The convergence analysis is performed in the gradient discretization framework over second order diffusion problems and the convergence is checked numerically on various types of hybrid three-dimensional meshes. Then, the VAG-HFV discretization is extended to non-isothermal compositional liquid-gas Darcy flows and is applied on the two dimensional cross-section of the Bouillante high temperature geothermal reservoir. Another important aspect of the geothermal flows modelling consists in considering the interactions between the porous medium and the atmosphere. Since the coupling between the porous medium and the 2D surface of 3D atmospheric flows is not computationally realistic at the space and time scales of a geothermal flow, the soil-atmosphere interaction is modelled using an advanced boundary condition accounting for the matter (mole) and energy balance at the interface. The model considers an atmospheric boundary layer with convective molar and energy transfers (assuming the vaporization of the liquid phase in the atmosphere), a liquid outflow condition at seepage surfaces, as well as the heat radiation and the precipitation influx. This boundary condition is assessed using a reference solution coupling the Darcy flow to a full-dimensional gas free flow. Then, it is studied numerically in terms of solution and convergence of the Newton-min non-linear solvers on several geothermal test cases including two-dimensional simulations of the Bouillante geothermal field. In addition is presented the collaborative project which took place during the CEMRACS summer school 2016. The project consisted in adding a multibranch thermal well model into the ComPASS code, a new geothermal simulator based on unstructured meshes and adapted to parallel distributed architectures with the ability to represent fractures.