Description du sujet de thèse

Le stockage de l’hydrogène dans les aquifères ou les réservoirs géologiques suscite un intérêt croissant. À ce jour, le stockage d’hydrogène dans des réservoirs sédimentaires n’a pas encore été réalisé à l’échelle industrielle. Malgré l’expérience et le savoir-faire accumulés dans le stockage de l’air comprimé, du gaz naturel et du gaz de ville dans les formations poreuses, le stockage de l’hydrogène présente des défis techniques supplémentaires. Les processus de migration et le devenir de l’hydrogène dans les réservoirs sont encore mal compris. Les simulations numériques basées sur des modèles physiques sont des outils indispensables pour répondre à cette problématique. Cependant, la modélisation de la migration de l’hydrogène dans les milieux poreux est un problème complexe car elle implique des processus multiphysiques agissant à différentes échelles de temps.
La migration de l’hydrogène dans les milieux poreux met en jeu l’écoulement diphasique, les processus de précipitation et de dissolution ainsi que des phénomènes thermodynamiques. Ces processus ne sont pas fondamentalement différents de ceux observés pour le gaz naturel. Toutefois, les propriétés thermodynamiques particulières de l’hydrogène et son affinité biochimique avec la roche hôte et les fluides de la formation soulèvent des défis techniques supplémentaires et augmentent les coûts d’exploitation. Par exemple, la densité massique de l’hydrogène est environ dix fois inférieure à celle du méthane dans des conditions similaires de température et de pression. Par conséquent, la capacité de stockage massique de l’hydrogène dans un réservoir souterrain est dix fois inférieure à celle du méthane dans les mêmes conditions. De plus, la faible viscosité de l’hydrogène et sa réactivité potentielle avec les formations minérales, les fluides interstitiels, les systèmes biologiques et les matériaux des installations exigent des stratégies d’atténuation qui ne sont pas nécessaires pour le stockage souterrain du gaz naturel.
L’hydrogène gazeux présente des caractéristiques biochimiques spécifiques susceptibles d’impacter les mécanismes de stockage en termes de pertinence et d’efficacité (Hoteit et Afifi, 2024). La migration de l’hydrogène est également influencée par des processus thermiques. La modélisation numérique de ces processus bio-chimio-hydro-thermiques couplés et non linéaires est particulièrement exigeante sur le plan computationnel (Wendling et al., 2019). Les défis concernent la convergence, la précision, la robustesse et l’efficacité des schémas numériques utilisés pour résoudre les équations de gouvernance. Les méthodes traditionnelles telles que les éléments finis ou les différences finies introduisent des artefacts numériques difficiles à éviter sans recourir à des maillages computationnels spécifiques. De plus, étant donné que les processus de dissolution, biochimiques, thermiques et d’écoulement se déroulent à différentes échelles de temps, l’intégration temporelle devient un enjeu crucial pour assurer des simulations efficaces tout en maintenant une haute précision.
Ainsi, compte tenu de ces défis spécifiques, la compréhension de la migration de l’hydrogène dans les milieux poreux nécessite des techniques numériques adaptées, capables de surpasser les approches standards existantes. C’est l’objectif principal de ce projet, qui vise à proposer un modèle numérique avancé pour la simulation de la migration de l’hydrogène dans les milieux poreux en couplant des schémas numériques performants pour la discrétisation spatiale et l’intégration temporelle avec des approches d’apprentissage automatique.

Contexte de travail

La thèse de doctorat se déroulera à l’Institut des Sciences de la Terre et de l’Environnement de Strasbourg. Le laboratoire est situé sur le campus central, qui dispose d’un service de restauration universitaire sur place. Le site est facilement accessible en transports en commun
Le ou la doctorant(e) sera inscrit(e) officiellement à l’Université de Strasbourg, au sein de l’École Doctorale des Sciences de la Terre et de l’Environnement (ED413). La thèse sera co-encadrée par Brahim Amaziane de l’Université de Pau.
Compétences requises : analyse numérique, méthodes de discrétisation et calcul scientifique, avec une expérience complémentaire en apprentissage automatique. Des connaissances sur l’écoulement et le transport en milieu poreux sont considérées comme un atout.
Merci de fournir un CV, une lettre de motivation précisant vos intérêts et objectifs et une lettre de recommandation.

Contraintes et risques

Ce travail ne présente ni contraintes particulières, ni risques notables.