Caractérisation de la rigidité diélectrique de fluides et d'une roche en fonction de leur conductivité, de la température et de la pression

Characterization of the dielectric strength of fluids and a rock as a function of their conductivity, temperature and pressure

• Auteur / Autrice : Tony Imbert
• Direction : Laurent Pécastaing, Thierry Reess
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 20/12/2019
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l'ingénieur appliquées à la mécanique et au génie électrique (Anglet) - Laboratoire des Sciences de l'Ingénieur Appliquées à la Mécanique et au génie Electrique
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Pécastaing, Thierry Reess, Jean-Marc Diénot, Pierre Freton, Dunpin Hong, Baptiste Guegan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Marc Diénot, Pierre Freton, Dunpin Hong

Mots clés

Mots clés contrôlés

Roches -- Fracturation

Haute tension

Électrotechnique

Mots clés libres

Puissances pulsées

Haute tension

Décharge électrique

Fracturation électrique

Concassage de roches

Pulse power

High voltage

Electrical discharge

Electrical fracturing

Rock crushing

Résumé

L’urgence énergétique mondiale impose d’utiliser des systèmes plus économes en énergie. De plus, il devient nécessaire d’effectuer une transition énergétique vers des technologies rejetant moins de gaz à effet de serre. Pour ces raisons, les technologies à base de puissances pulsées auront un rôle à jouer dans le panel énergétique de demain.De nombreuses ressources se situent sous la surface de notre planète (eau, gaz, énergies fossiles, minéraux précieux, énergie géothermique ...). De plus, l’urbanisation de nos villes avec le développement des moyens de transport, du traitement des eaux usées, des réseaux électriques et de chaleurs nous pousse à exploiter l’espace sous terrain. Pour cette exploitation, la mise en place de méthodes industrielles est inévitable pour permettre un avancement rapide, économe en énergie et à moindre coût de production. Les méthodes actuelles de concassage, fracturation ou forage se heurtent néanmoins à une faible vitesse de production lors du traitement de roches dures et abrasives. La fracturation dite électrique pourrait être une méthode alternative. Cette technique utilise des décharges électriques dans des fluides pour concasser les roches.L’objet de cette thèse est d’établir une base de données expérimentales pour la compréhension, la prédiction et l’optimisation du processus. Il s’agit plus particulièrement d’étudier l’influence de l’ensemble des paramètres liés à la fois aux propriétés du milieu (température, conductivité et pression) et aux caractéristiques du circuit électrique sur la rigidité diélectrique des isolants testés. Une attention particulière est portée à la maîtrise de la phénoménologie de la décharge dans ces conditions expérimentales.Dans ce manuscrit, les décharges électriques sont caractérisées à partir d’essais expérimentaux qui sont interprétés par l’intermédiaire d’études théoriques et de simulations numériques. Dans un premier temps, la tension minimale nécessaire pour amorcer un arc est déterminée par la méthode U50 et sa consommation d’énergie associée est calculée. Ces essais sont réalisés à la fois en fonction des paramètres internes au système d’impulsions (énergie stockée, tension d’alimentation et géométrie des électrodes) et aussi en fonction de paramètres externes (conductivité, pression et température du milieu). Dans un second temps, le seuil de champ électrique qui permet de changer de mode de claquage est déterminé en fonction des paramètres externes au système d‘impulsions. Cette transition entre le mode subsonique et le mode supersonique est déterminée à partir du temps de propagation de la décharge électrique et de la consommation d’énergie pendant la phase de pré-arc. Les conditions menant à l’amorçage de l’arc électrique dans les fluides ou dans les roches sont comparées. Une attention particulière est donnée à la résistance de l’arc et au courant maximal qui définissent la puissance transmise au milieu.

The global energy emergency requires more energy-efficient systems. In addition, it is necessary to make an energy transition to technologies that emit less greenhouse gases. For these reasons, pulse power technologies will have a role to play in tomorrow’s energy mix.Many resources are located below the surface of our planet (water, gas, fossil fuels, precious minerals, geothermal energy...). In addition, the urbanization of our cities with the development of means of transport, wastewater treatment, electricity and heat networks pushes us to exploit the underground space. For this operation, the implementation of industrial methods is inevitable in allowing a fast, energy-efficient and low-cost production. However, current methods of crushing, fracturing or drilling encounter a low production rate when processing hard and abrasive rocks. The fracturing method called electric fracturing could be an alternative method. This method uses electrical discharges in fluids to crush rocks.The purpose of this thesis is to establish an experimental database for understanding, predicting and optimizing the process. In particular, the influence of all parameters related to both the properties of the medium (temperature, conductivity and pressure) and the characteristics of the electrical circuit on the insulators dielectric strength tested must be studied. Particular attention is paid to controlling the phenomenology of the landfill under these experimental conditions.In this manuscript, electrical discharges are characterized on the basis of experimental tests that are interpreted through theoretical studies and numerical simulations. First, the minimum voltage required to initiate an arc is determined by the U50 method and its associated energy consumption is calculated. These tests are performed both according to the internal parameters of the pulse system (stored energy, supply voltage and electrode geometry) and also according to external parameters (conductivity, pressure and temperature of the medium). In a second step, the electric field threshold that allows to change the breakdown mode is determined according to the parameters external to the pulse system. This transition from subsonic to supersonic mode is determined from the propagation time of the electrical discharge and the energy consumption during the pre-arc phase. The conditions leading to the initiation of the electric arc in fluids or rocks are compared. Particular attention is paid to the arc resistance and maximum current that define the power transmitted in the medium.