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Les doublets géothermiques sur aquifères superficiels jouent un rôle important en France pour le chauffage, le rafraichissement et la production d’eau chaude sanitaire des bâtiments. La pérennité de ces installations est cependant conditionnée par la possibilité de pouvoir garantir dans le temps la production puis la réinjection de l’eau souterraine. Le colmatage de la boucle géothermale est un problème majeur qui affecte de nombreuses installations sur l’ensemble du territoire français et remet en cause leur viabilité technico-économique. La compréhension et la prédiction de ce phénomène nécessite de nouveaux moyens de caractérisation et de modélisation des processus biogéochimiques couplés au fonctionnement des boucles géothermales dans des environnements de subsurface hétérogènes. Cette thèse a ainsi fait l’objet d’une nouvelle collaboration entre le laboratoire Géosciences Rennes et l’entreprise Antea group pour identifier les mécanismes à l’origine de ces phénomènes de colmatage et d’en caractériser les paramètres influents dans le but de construire un outil d’analyse des risques permettant l’anticipation de ces processus de colmatage. Le premier volet de la thèse expose la synthèse des typologies de colmatage (biogéochimique, chimique, biologique et physique). Cette synthèse est issue de l’étude de la littérature sur la problématique de colmatage des forages d’eau et des retours d’expérience concernant les doublets géothermiques recensés et étudiés durant cette thèse. Le second volet présente les inventaires régionaux des problématiques de colmatage recensées en France dans différents contextes hydrogéologiques. Ces inventaires ont permis de délivrer un état des lieux à grande échelle de la problématique de colmatage et d’étudier les contextes associés à chaque type de colmatage. Dans le troisième volet, de nouvelles méthodologies de caractérisation in-situ des phénomènes de colmatage biogéochimique liés à l’oxydation du manganèse et du fer sont présentées. Elles ont été développées dans le cadre de ces travaux de thèse à partir des investigations menées sur différents sites confrontés à des problèmes d’exploitation. Ces méthodologies d’investigations pluridisciplinaires couplent la mesure des propriétés hydrauliques, des concentrations en éléments chimiques et de la diversité microbienne afin d’identifier la problématique impactant le fonctionnement de l’installation et d’en définir in fine les causes. Le quatrième volet expose les résultats d’une campagne de terrain effectuée sur un doublet géothermique impacté par un processus de colmatage biogéochimique. Cette campagne a permis d’identifier les composantes clés de la réactivité biochimique impliquée dans le colmatage : distribution du flux, hétérogénéité chimique et diversité microbiologique. A l’aide du code de calcul PHREEQC, un modèle géochimique simulant les cinétiques de précipitation observées a été développé. Il permet l’étude quantitative des mécanismes biogéochimiques favorisant l’apparition rapide du colmatage. Enfin, les retours d’expériences de l’exploitation des doublets sur nappes superficielles ont démontré le besoin d’une méthodologie fiable d’analyse des risques, permettant d’anticiper l’apparition des processus de colmatage à chaque étape de la vie du projet. Ainsi, à partir de la synthèse de la littérature scientifique et technique et des conclusions des études menées durant cette thèse, les facteurs de risques d’apparition des phénomènes de colmatage ont été déterminés. L’analyse des risques de colmatage intégrant ces différents facteurs a été implémentée à travers l’élaboration de méthodes développées sous Python 3. L’outil ARCADE (Analyse des Risques de Colmatage et Aide à la Décision) a été conçu d’une part pour évaluer le risque et d’autre part pour informer l’utilisateur averti des bonnes pratiques et moyens préventifs. Ces bonnes pratiques d’analyse et de gestion préventive sont présentées dans le dernier volet de cette thèse. / The sustainability of geothermal systems using shallow aquifers for heating, cooling and hot water production depends on the possibility to ensure, over long time-scales, the production and the reinjection of groundwater in the aquifer. Clogging of the geothermal loop is a major issue affecting the technical and economic viabilities of numerous operations in France. The understanding and prediction of this phenomenon requires new methods of characterization and modelling of biogeochemical processes coupled to the operation of geothermal loops in heterogeneous subsurface environments. This thesis is thus the result of a new collaboration between the Géosciences Rennes lab and Antea group to identify the mechanisms at the origin of clogging phenomena and characterize their controlling parameters, in order to establish a risk assessment tool allowing the anticipation of clogging processes. The first part of the thesis describes the main clogging processes (biogeochemical, chemical, biological and physical). This synthesis is the result of (1) the study of the literature dealing with the clogging of water wells and (2) our feedbacks on the geothermal doublets identified and studied during this thesis. The second part presents the regional inventories of shallow geothermal systems impacted by clogging problems identified in different hydrogeological contexts in France. These inventories provide a large-scale perspective of clogging phenomena and allow to study the contexts associated with each type of clogging processes. In the third part, new methodologies for the in-situ characterization of biogeochemical clogging phenomena linked to manganese and iron oxidation are presented through case studies of sites affected by clogging issues. These interdisciplinary studies couple the measurement of hydraulic properties, chemical element concentrations and bacterial diversity, to identify the specific issue impacting the operation and to define its causes. The fourth part presents the results of an interdisciplinary field campaign carried out on a geothermal doublet impacted by a biogeochemical clogging process. This campaign documented the key components involved in mixing induced biogeochemical reactivity: flow distribution, chemical heterogeneity and microbiological diversity. Using PHREEQC, a geochemical model simulating observed kinetics of precipitation was developed in order to quantitatively explore the biogeochemical mechanisms favoring rapid clogging. Feedback from shallow geothermal systems operation has demonstrated the need for a reliable risk analysis methodology that allowed to anticipate the apparition of clogging processes at each stage of the project life (part 5). From the synthesis of the scientific & technical literature and the conclusions of the studies carried out during this thesis, the risk factors for the appearance of clogging phenomena were determined. A clogging risk analysis integrating these factors was implemented through the development of methods developed under Python 3. The methodology of the ARCADE tool (Analyse des Risques de Colmatage et Aide à la Décision) is designed to assess the risk and to inform users of good practices and preventive methods. These good practices for analysis and preventive methods are presented in the last part of this thesis.

L'automobile nécessite l'utilisation d'échangeurs thermiques permettant d'assurer au moteur des conditions de fonctionnement en température acceptables (autour de 90°C). La fiabilité de ces échangeurs ne peut être négligée car ils peuvent être à l'origine de complications mécaniques importantes en cas de dysfonctionnement. La maîtrise des divers modes d'endommagement des échangeurs thermiques liés aux conditions d’utilisation devient dès lors un enjeu incontestable pour les industriels en charge de leur production, tant du point de vue matériaux, que du comportement général de la structure en service (influence du procédé d'assemblage, design,...). Les échangeurs thermiques présentent aujourd’hui une sensibilité accrue aux sollicitations thermomécaniques cycliques induites en service, du fait, essentiellement, d’une constante diminution des épaisseurs des composants. Celle-ci est responsable d’une augmentation significative des contraintes internes pour des conditions en service identiques, pouvant avoir pour conséquence directe et irréversible la rupture d’un tube, témoin d’une incompatibilité matière/design/process. Deux configurations matières industrielles ont ici été étudiées. Il s’agit de structures tri-couches colaminées de type tube, constituées respectivement de deux et trois alliages d’aluminium distincts (4xxx/3xxx/4xxx ou 4xxx/3xxx/7xxx), pour une épaisseur totale de 270µm. Ces dernières ont été développées pour permettre l’utilisation du procédé de brasage comme procédé d’assemblage (alliage 4xxx). Toutefois, une telle architecture, combinée à un procédé thermique d’assemblage sévère (600°C), est responsable d’une modification profonde de la microstructure avec l’apparition de structures de solidification, responsables entre autres de nombreuses irrégularités de surface (appelées Gouttes de Placage Résiduelles - GPR) ainsi que d’importants gradients de propriétés mécaniques dans l’épaisseur. Ces travaux de recherche s’appuient sur une approche expérimentale et numérique développée pour étudier les mécanismes d'endommagement en fatigue relatifs à de telles structures fines hétérogènes. Associant diverses techniques expérimentales telles que la corrélation d’images numériques (2D-3D) ou la tomographie à rayons X (de laboratoire ou à l’ESRF), elle permet une analyse précise des mécanismes d’amorçage et de propagation des fissures de fatigue (sur éprouvette de fatigue classique ou de type échangeur thermique). Le rôle des différents placages dans chacune des phases de l’endommagement a ainsi été mis en évidence (4xxx : amorçage, 7xxx : propagation des fissures). Des simulations par la méthode des éléments finis nous ont permis de compléter ces observations en proposant une quantification précise de l’influence de l’état de surface (GPR) sur la tenue en fatigue des éprouvettes testées. Enfin, des essais de fatigue réalisés directement sur échangeurs thermiques ont permis de corroborer les résultats obtenus sur éprouvettes modèles. / The automotive industry, like many other industrial fields, requires the use of heat thermal exchangers to allow optimal thermal service conditions of the engine (around 90°C for a car engine). The exchangers’ reliability has to be guaranteed to avoid a decrease of the engine efficiency or detrimental mechanical damage resulting from too high service temperatures. It is therefore necessary to control the different damage modes of such thermal heat exchangers according to the conditions of use. Thanks to their good thermal, corrosion and mechanical properties, aluminium alloys have steadily replaced copper alloys and brass for manufacturing heat exchangers in cars or trucks. Such components have been constantly optimized in terms of exchange surface area and, nowadays, this has led to Al components in heat exchangers with a typical thickness of the order of 0.2 to 1.5 mm. With such small thicknesses, the load levels experienced by heat exchangers components has drastically increased leading to an important research effort in order to improve the resistance to damage development during service life. Two industrial materials made of 3 co-rolled aluminium alloys (total thickness 0.27 mm) have been studied. In spite of their small thickness, the materials exhibit a composite structure comprising a core material (3xxx alloy) and 2 clads (4xxx and/or 7xxx alloys according to material configuration: 4xxx/3xxx/4xxx or 4xxx/3xxx/7xxx). The lower melting point 4xxx alloy is used for producing the heat exchanger assembly during a brazing process while the 7xxx alloy improves internal corrosion resistance. Such complex architecture, combined to the severe brazing thermal treatment, leads to important microstructural modifications, mainly characterized by the formation of brazing joints or Clad Solidification Drops (CSD) on the surface. Both of them are responsible for significant gradients of the mechanical properties on the thickness. The present study is based on an original experimental and numerical approach developed to characterise the different fatigue damage mechanisms operating in such thin heterogeneous structures. Digital image correlation (2D-3D) and X-rays tomography (at different resolutions) have been used to analyze the crack initiation and propagation mechanisms, highlighting the impact of each clad on each damage step. While the 4xxx clad corresponds to preferential crack initiation zones, the 7xxx clad seems to affect significantly the crack propagation phase. Finite Elements simulations have been carried out to complete these experimental observations, putting forward an accurate quantification of the surface state influence (through the CSD). All the different results and observations made on fatigue samples with a simplified geometry have been finally confirmed by fatigue tests on thermal exchanger configurations.