Simulation numérique haute performance de processus couplés pour le stockage du CO2 dans les aquifères salins
Auteur / Autrice : | Nicolas Pillardou |
Direction : | Etienne Ahusborde, Fabrizio Croccolo |
Type : | Thèse de doctorat |
Discipline(s) : | Mathématiques |
Date : | Soutenance le 27/09/2023 |
Etablissement(s) : | Pau |
Ecole(s) doctorale(s) : | École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-) |
Partenaire(s) de recherche : | Laboratoire : Laboratoire de mathématiques et de leurs applications (Pau) |
Jury : | Président / Présidente : Guillaume Galliéro |
Examinateurs / Examinatrices : Etienne Ahusborde, Fabrizio Croccolo, Carole Rosier, Denis Voskov, Sylvie Granet, Brahim Amaziane, Sylvain Thibeau | |
Rapporteurs / Rapporteuses : Carole Rosier, Denis Voskov |
Mots clés
Résumé
Les simulations numériques des processus couplés en milieux poreux sont utilisées dans de nombreuses applications énergétiques et environnementales. Ce travail se concentre sur l'application du stockage du dioxyde de carbone dans les aquifères salins, un processus visant à réduire les émissions de gaz à effet de serre, au cœur des débats environnementaux actuels. Ce type d'application est décrit par des processus couplés Thermiques, Hydrauliques, Mécaniques et Chimiques (THMC) qui interagissent ensemble. La thèse se concentre sur l'étude d'écoulements réactifs multiphasiques non-isothermes (THC) et aux effets géomécaniques sur un écoulement multiphasique isotherme (HM). Une état de l'art est proposée dans le Chapitre 1 pour étudier le sujet du stockage du CO2, mais aussi pour avoir un aperçu des différentes méthodes numériques pour le couplage THMC. La première partie est consacrée au couplage Thermo-Hydro-Chimique. Le modèle mathématique pour le THC, exposé dans le Chapitre 2, est gouverné par un système, fortement non-linéaire, d'équations aux dérivées partielles (écoulement multiphasique non-isotherme), couplé à des équations différentielles algébriques et/ou ordinaires (modélisant la géochimie). Deux approches de résolution différentes sont étudiées : les approches séquentielles et entièrement implicites, détaillées dans le Chapitre 3. Un schéma numérique volume-finis centrés sur les cellules est adopté pour la discrétisation spatiale, avec une approximation de flux à deux points ou multi-points (TPFA/MPFA), dépendant de la complexité du maillage. Un schéma d'Euler implicite ou de second ordre Backward Differentiation Formula (BDF2) est utilisé pour la discrétisation temporelle. Les algorithmes des méthodes séquentielle et implicite sont implémentés sur la plateforme de simulation DuMuX . La précision, l'efficacité et la scalabilité des modèles et des solveurs développés sont évalués par comparaison avec des études 1D, 2D et 3D, grâce à du Calcul Haute Performance. La deuxième partie est consacrée à l'étude du couplage Hydro-Mécanique. Dans le Chapitre 4, le modèle poroélastique linéaire est détaillé. Il se compose de lois de conservations de la masse (régissant un écoulement diphasique compositionnel isotherme) et de la loi de conservation du moment complétée par des relations constitutives (modélisant la géomécanique). Un couplage bidirectionnel entre les deux problèmes est effectué à l'aide de variables effectives (pression, densité) mais aussi grâce à la porosité et perméabilité dépendant du déplacement. La discrétisation spatiale est réalisée en combinant un schéma de type volumes-finis centrés sur les cellules pour l'écoulement, avec une méthode centrée sur les sommets de type ''Control Volume Finite Element Method'' (schéma Box) pour la géomécanique. Dans le Chapitre 5, le schéma numérique est validé au travers des processus de consolidation multidimensionnels, connus pour leurs solutions analytiques. Des scénarios de stockage du CO2 sont également étudiés et validés par des comparaisons avec des études récentes et des calculs réalisés sur le simulateur industriel CMG-GEM. Des conclusions sont présentées dans le Chapitre 6, permettant d'identifier plusieurs perspectives pouvant améliorer le cadre numérique en termes de précision et detemps de calcul, dans le but d'investiguer des scénarios réalistes avec des couplages complexes de types THMC.