Problèmes de thermodynamique et de thermo-hydro-mécanique associés à l'exploitation du sous-sol

My research activities are fueled by the various challenges inherent to the exploitation of the subsurface such as energy storage, complex deposit exploitation or deep storage of radioactive waste. Combined, these research areas put up a broad multidisciplinary field that I undertook about sixteen years ago. Considering the complexity and diversity of the scientific disciplines included, my contribution in those domains was of different natures, but was always keeping a global approach, based on a macroscopic understanding of the encountered phenomena. In this dissertation, divided into 4 chapters, I rather focused on the modeling aspects.In the first chapter which will serve as the basis for the following ones, I undertake the presentation of the general framework of thermodynamics of continuous media in order to establish the balance equations among which there are still some of them, like the energy balance, that are not completely understood especially in the case of open systems which are of interest to me. These systems, in addition to being multicomponent and multiphase, can undergo a change of mass via chemical reactions or phase change. The second chapter deals with the constitutive laws and addresses in particular the ones governing the complex behavior of the geomaterials forming host rocks suck as rock salt. The third chapter is dedicated to energy storage. In this field, which gives the subsurface an essential role in the current energy transition, I detail the approach I adopted for the realization of Demether ; a software dedicated to solving thermodynamic problems related to fluid storage in underground caverns and focusing more specifically on salt caverns. The last chapter concerns artificial ground freezing linked to the exploitation of complex mining deposits with non conventional methods, which poses scientific locks that are not only related to phases changes and to thermo-hydraulic behaviors but also to the mechanical behaviors and more generally to the predictive abilities of thermo-hydro-mechanical coupling models.I conclude with research perspectives that will aim to continue the current themes while consolidating each link in the chain : experimentation - modeling - simulation.Mes travaux de recherches sont motivés par diverses problématiques liées à l’exploitation du sous-sol telles que le stockage d’énergie, l’exploitation de gisements complexes ou encore le stockage profond des déchets radioactifs. Ces problématiques présentent un vaste champ pluridisciplinaire d’investigation que j’ai commencé il y a maintenant près de seize ans. Face à la complexité des problèmes posés et la diversité des disciplines scientifiques couvertes, ma contribution dans ces domaines était de différentes natures mais gardant toujours une approche globale basée sur une compréhension macroscopique des phénomènes.Dans ce mémoire, organisé en quatre chapitres, je me suis attaché davantage aux aspects de modélisation. Dans le premier chapitre, qui servira de base aux chapitres suivants, je présente au mieux le cadre général de la thermodynamique des milieux continus dans l’objectif d’établir les équations de bilan dont certaines comme celle de l’énergie reste encore mal maîtrisée surtout dans le cas des systèmes ouverts qui m’intéresse et qui, en plus d’être multiconstituant et multiphasique, peuvent changer de masse soit par réactions chimiques soit par changement de phase. Le deuxième chapitre porte sur les lois de comportement et aborde en particulier celles qui régissent le comportement complexe des géomatériaux formant la roche hôte telle que le sel gemme. Le troisième chapitre est dédié à la problématique du stockage d’énergie. Dans ce domaine, qui confie au sous-sol un rôle déterminant dans la transition énergétique, je développe l’approche que j’ai adoptée pour la réalisation du logiciel Demether dédié à larésolution des problèmes thermodynamiques liés au stockage des fluides dans des cavités souterraines et qui traite en particulier le cas des cavités salines. Quant au dernier chapitre, je l’ai consacré à la congélation artificielle des terrains qui rentre dans la problématique d’exploitation des gisements miniers complexes par des méthodes non conventionnelles, et qui pose des verrous scientifiques qui ne sont pas uniquement liés aux changements de phase et aux comportements thermo-hydrauliques mais aussi et surtout aux comportements mécaniques et d’une manière générale aux capacités prédictives des modèles de couplage thermo-hydromécaniques.Je conclue le rapport par des perspectives de recherche qui auront pour objectif de poursuivre les thématiques actuelles tout en consolidant chacun des maillons de la chaîne : expérimentation - modélisation - simulation