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PIA : Etude expérimentale des conditions biogéochimiques adaptées au stockage souterrain de l'hydrogène en présence ou non de CO2

Offre de thèse

PIA : Etude expérimentale des conditions biogéochimiques adaptées au stockage souterrain de l'hydrogène en présence ou non de CO2

Date limite de candidature

01-06-2024

Date de début de contrat

01-10-2024

Directeur de thèse

GOLFIER Fabrice

Encadrement

Samuel Marre (DR CNRS, samuel.marre@icmcb.cnrs.fr) Frédéric Mathurin (DR BRGM, f.mathurin@brgm.fr)

Type de contrat

Plan Investissement d'Avenir (Idex, Labex)

école doctorale

SIReNa - SCIENCE ET INGENIERIE DES RESSOURCES NATURELLES

équipe

Hydrogéomécanique multi-échelles (Axe GéoModèles)

contexte

L'hydrogène devrait jouer un rôle clé dans le futur mix énergétique et offre des perspectives prometteuses en tant que vecteur énergétique propre et durable pour le stockage des énergies renouvelables et la décarbonisation des industries. Cela favorise le développement de solutions de stockage de l'hydrogène à grande échelle pour répondre aux besoins énergétiques et atténuer les problèmes d'intermittence des énergies éolienne et solaire. De grandes inquiétudes subsistent cependant quant aux mécanismes biogéochimiques qui pourraient affecter l'hydrogène ou les mélanges de gaz stockés dans des aquifères salins ou des réservoirs déplétés lors d'un stockage géologique souterrain

spécialité

Mécanique - Génie Civil

laboratoire

GeoRessources

Mots clés

hydrogène, activité bactérienne, stockage souterrain, methanogénèse

Détail de l'offre

L'hydrogène devrait jouer un rôle clé dans le futur mix énergétique et offre des perspectives prometteuses en tant que vecteur énergétique propre et durable pour le stockage des énergies renouvelables et la décarbonisation des industries. Cela favorise le développement de solutions de stockage de l'hydrogène à grande échelle pour répondre aux besoins énergétiques et atténuer les problèmes d'intermittence des énergies éolienne et solaire. Des questions importantes subsistent cependant quant aux mécanismes biogéochimiques qui pourraient affecter l'hydrogène ou les mélanges de gaz stockés (par exemple H2 et CO2) dans des aquifères salins ou des réservoirs déplétés lors d'un stockage géologique souterrain. Les gaz injectés peuvent interagir avec les roches du réservoir, les roches de couverture, les fluides du réservoir, les équipements de puits (aciers, ciments, élastomères) et les microorganismes. Ceci peut entraîner des changements dans la composition du gaz stocké qui peuvent être indésirables, comme la production de certains composés corrosifs (par exemple H2S) et conduire à une dégradation au sein de la roche de couverture et au voisinage des puits (colmatage des puits, perte d'efficacité de l'étanchéité). L'impact connexe sur les propriétés de la roche (porosité, perméabilité, propriétés mécaniques) entraîné par les mécanismes de dissolution et de précipitation doit également être étudié.
Ce projet vise à étudier comment les conditions biogéochimiques peuvent affecter les gaz (H2, CO2 ou mélange des deux) stockés dans les formations souterraines. Comme les gaz injectés peuvent interagir avec plusieurs éléments des réservoirs profonds, une meilleure compréhension de l'importance et de la cinétique des processus biogéochimiques possibles est obligatoire pour le développement rapide de solutions de stockage d'hydrogène durables et compétitives en France. Une étude préliminaire de base est actuellement menée pour collecter des données sur les formations de réservoirs adaptées au stockage de gaz dans le bassin aquitain et caractériser leurs propriétés. Différentes expériences seront effectués pour reproduire les conditions de stockage et permettre une extrapolation à l'échelle du réservoir, depuis des réacteurs fermés et microfluidiques aux expériences « flow through », afin d'évaluer la réactivité du gaz dans les conditions de subsurface, en présence ou non de micro-organismes indigènes.
Les résultats expérimentaux, et éventuellement la modélisation 1D/2D, fourniront des indicateurs clés robustes pour définir les conditions bio-géochimiques optimales afin d'améliorer l'efficacité du stockage souterrain d'H2 dans les réservoirs ciblés.

Keywords

hydrogen, bacterial activity, underground storage, methanogénèse

Subject details

Hydrogen should be a key player in the future energy mix and gives promising prospects as a clean and sustainable vector for renewable energy storage and for decarbonizing industries. This promotes the development of large-scale hydrogen storage solutions to meet energy demands and mitigate the intermittency of wind and solar energy. Major concerns remain, however, about the biogeochemical conditions which could affect hydrogen or mixtures of gases stored during underground geological storage in saline aquifers or depleted reservoirs. Combining hydrogen and CO2 storage to reduce greenhouse gas emissions and to favor methanogenesis (production of methane) through microbial processes is also an avenue to be considered for future research. Methane is less reactive than hydrogen and infrastructures for its storage, transportation and utilization have existed for a very long time throughout the world. CO2 can also be used as a cushion gas to improve hydrogen recovery. The injected gases (H2 and CO2) into underground storage sites may interact with the reservoir rocks, the overburden rocks, the reservoir fluids and the microbes. H2 and CO2 reactivity with rock minerals, well equipments (steels, cements, elastomers) and the microorganisms present lead to changes in the stored gas composition that could be unwanted such as the production of certain corrosives compounds (e.g., hydrogen sulfide) which could cause degradation within caprock and in the vicinity of wells (wells plugging, reduced injectivity, loss of seal efficiency). Related impact on rock properties (porosity, permeability, mechanical properties) driven by dissolution and precipitation mechanisms needs also to be investigated. This project aims at investigating how biogeochemical conditions could affect the gases (H2, CO2 or mixture of both) stored in subsurface formations. Since the injected gases can interact with several elements of deep reservoirs, a better understanding of the extent and rate of possible biogeochemical processes is mandatory for quick development of sustainable and competitive hydrogen storage solutions in France. A preliminary baseline survey is currently being conducted to collect data on reservoir formations suitable for gas storage in the Aquitaine Basin and characterize their properties. Then, a multiscale analysis from batch and microfluidic reactors to flow-through experiments will be carried out to assess gas reactivity in subsurface conditions mediated or not by indigenous microorganisms. Experiments in laboratory pilots or through microfluidic approaches are necessary to closely simulate the study sites and the behaviour of the gas stored. Different levels of experiment will be designed to reproduce the storage conditions and enable upscaling to the reservoir scale. Experimental results, and possibly forward 1D/2D modeling, will provide robust key indicators to define optimal bio-geochemical conditions to improve the efficiency of underground H2 storage in the target reservoirs.

Profil du candidat

Le candidat doit être autonome et posséder de solides connaissances en microbiologie ou en géochimie. Il ou elle doit être très motivé(e) par les défis du stockage souterrain de l'énergie. Idéalement, le candidat doit être titulaire d'un diplôme universitaire ou d'ingénieur récent (ou équivalent) en microbiologie, géochimie environnementale, géosciences ou autres domaines pertinents. Un intérêt marqué pour les expériences en laboratoire est nécessaire. Il ou elle peut démontrer des compétences en physiologie microbienne, en microbiologie générale et en géochimie. Une motivation pour le travail en équipe à l'interface entre différentes disciplines et laboratoires de recherche est requise. Un intérêt pour la modélisation serait un atout. Le candidat devra parler couramment l'anglais.

Candidate profile

The candidate must be a self-directed person with a solid knowledge of microbiology or geochemistry. He or she should be highly-motivated by the challenges of underground energy storage. Ideally, the candidate should have a recent university or engineering master degree (or equivalent) in microbiology, environmental geochemistry, geosciences, or other relevant fields. A strong interest for laboratory experimentations is required. He or she may demonstrate proficiency in microbial physiology, general microbiology and geochemistry. Motivation for team work at the interface between different disciplines and research laboratories would be appreciated. An interest in modelling would be an asset. The candidate will need to be fluent in English. French is not mandatory but the willingness to learn French would be appreciated.

Référence biblio

Cario A., Larzillière M., Nguyen O., Alain K., Marre S., High-pressure microfluidics for ultra-fast microbial phenotyping, Front. Microbiology 13:866681. (2022)
Caumon M.C., Sterpenich J., Randi A., Pironon J. 2016, Measuring mutual solubility in the H2O–CO2 system up to 200 bar and 100 C by in situ Raman spectroscopy, Int. J. Greenhouse Gas Control 47, 63-70
Yekta, A. E.; Manceau, J. -C.; Gaboreau, S.; Pichavant M., Audigane, P. 2018 Determination of Hydrogen-Water Relative Permeability and Capillary Pressure in Sandstone: Application to Underground Hydrogen Injection in Sedimentary Formations. Trans.Porous media 22(2), p333-356
Ebigbo, A., Golfier, F. and Quintard, M. 2013, A coupled, pore-scale model for methanogenic microbial activity in underground hydrogen storage, Adv. Water Resour., 61, 74-85.