Fruit d'une expérience de recherche de près de 30 ans dans le domaine des cavités salines, ce mémoire présente succinctement le problème industriel à l'origine de mes recherches. Qu'il s'agisse d'exploitation de sel par dissolution ou de cavités de stockage, le problème industriel ouvre en effet de nombreux axes de recherche dans diverses disciplines concernant les géomatériaux avec en particulier un couplage thermomécanique dans un matériau élastoviscoplastique subissant des transformations finies. La partie "Comportement mécanique des roches salines" rappelle les notions de base de lois de comportement d'un matériau solide et souligne deux difficultés actuelles concernant le sel gemme. Le premier problème est relatif au frettage au niveau des plateaux de la presse au cours des essais classiques de laboratoire qui peut fausser la détermination des lois qui régissent l'endommagement et la rupture de la roche (phénomène non souhaité d'hétérogénéité des contraintes dans l'éprouvette). Une démarche déjà proposée par l'auteur est utilisée pour montrer que les mêmes résultats de laboratoire concernant le phénomène de dilatance (endommagement) peuvent être interprétés par un modèle rhéologique dans lequel le matériau ne subit L'endommagement que lorsque l'une des contraintes principales est une traction. La seconde difficulté relève du caractère restreint de la gamme de validité de certaines lois classiques proposées pour décrire le comportement ductile des roches salines et en particulier la gamme de variation des contraintes (prise en compte des faibles déviateurs). Ce phénomène concernant le comportement des roches salines sous faibles déviateurs était déjà connu et ici, il est illustré par un exemple théorique original. Le chapitre "Modélisation des ouvrages souterrains" souligne l'intérêt des modélisations 1D (malgré les hypothèses simplificatrices sur la géométrie des ouvrages souterrains) et attire l'attention sur le fait qu'un modèle rhéologique qui ne représente pas correctement le comportement sous faible déviateur peut conduire à des résultats bien différents de ce qui se passe in situ. Le problème était déjà connu mais méritait que l'on y insistât avec un exemple qui peut être décliné sous diverses variantes. Dans le cadre général de la thermoélasto-viscoplasticité, il est possible d'expliquer la forte influence des faibles déviateurs sur la variation du volume d'une cavité. Par ailleurs, une méthodologie simple de prise en compte de la phase de lessivage en mécanique est présentée. On revient alors sur cette mobilité des parois des cavités durant la phase de lessivage dans le chapitre "Prise en compte du lessivage des cavités salines" mais cette fois avec l'aspect thermique. En effet, les logiciels qui modélisent le phénomène physico-chimique de dissolution ont besoin de la température dans la cavité avec une bonne précision. Aborder le problème thermique dans sa généralité (2D ou 3D) est pour le moment relativement difficile. Mais l'on peut contourner la difficulté par un modèle qui combine astucieusement des approches 1D cylindrique autour du puits, 1D sphérique autour de la cavité et 0D dans le fluide contenu dans la cavité. Une méthode originale pour le choix du modèle sphérique est décrite. Son utilisation pour un cas réel de cavité de stockage de gaz est encourageante.

Les cavités salines représentent une technique prometteuse de stockage massif d’énergie, notamment pour les énergies renouvelables dont la production est par nature intermittente et imprévisible. Historiquement utilisées pour le stockage saisonnier d’hydrocarbures (méthane, pétrole...), les cavités salines sont aujourd’hui sollicitées pour le stockage de nouveaux fluides (hydrogène, dioxyde de carbone...) avec des scenarii plus exigeants. Les méthodes de dimensionnement des cavités doivent être mises à jour pour répondre aux nouveaux défis de la transition énergétique.Cette thèse propose une nouvelle méthodologie de dimensionnement des cavités salines, basée sur le développement d’un nouveau modèle constitutif pour le sel gemme incluant des critères de dilatance et de traction. Ce nouveau modèle permet d’ajuster avec un unique jeu de paramètres de nombreux essais de laboratoire différents, en particulier courts et longs.Des simulations couplées thermo-mécaniques de cavités, remplies de méthane ou d’hydrogène, et du sel gemme environnant sont réalisées pour différents scenarii d’exploitation, classiques ou se rapprochant des nouveaux besoins liés à la transition énergétique. On étudie en particulier les effets de la durée et de l’amplitude des cycles, du débit d’injection ou de soutirage. Les résultats obtenus avec la nouvelle méthodologie sont comparés avec ceux de la méthodologie classique. / Salt caverns are a promising technique for massive energy storage, especially in the case of the intermittent and unpredictable renewable energy. Historically used for seasonal storage of hydrocarbons (methane, oil...), they are potentially operated with increasingly demanding scenarios for the storage of other fluids (hydrogen, carbon dioxide...). Design methods need to be updated to rise to the new challenges of the energy transition.This thesis proposes a new methodology for salt cavern design, based on the development of a new rheological model including a dilatancy and a tensile criteria. This new model allows to fit numerous different laboratory tests with a single parameter set, in particular short- and long-term tests.Thermo-mechanical numerical simulations of caverns, filled with either methane or hydrogen, and the surrounding rock salt are performed under various cycling scenarios which are classical or closer to the needs associated with the energy transition. Effects of cycle duration, amplitude and mass flow are especially investigated. Results obtained with the new and the classical methodologies are compared.