Projet SeleCO2 - Etude du comportement thermomécanique de ...

Projet SeleCO2 - Etude du comportementthermomécanique de l'échangeur géothermique

et de l'encaissant

BRGM/RP-65599-FRMars 2017

Livrable projet L2.1-2 - Rapport final

document à

accès différé

Inventaire des arrêtés préfectorauximposant surveillance

Région Provence-Alpes-Côte d'Azur

BRGM/RP-53299-FRseptembre 2004

D. Nguyen, G. Longin

Rapport final

Document public à

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Etude réalisée dans le cadre des opérationsde Service Public du BRGM 04DEPD01

Projet SeleCO2 - Etude du comportementthermomécanique de l'échangeur géothermique

et de l'encaissant

BRGM/RP-65599-FRMars 2017

Livrable projet L2.1-2 - Rapport final

Nguyen D., Lesueur H.

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Projet SeleCO2 – Etude du comportement thermomécanique de l’échangeur géothermique et de l’encaissant

2 BRGM/RP-65599-FR – Rapport final

Mots clés : stockage d’énergie ; granite ; CO2 ; géostock ; doublet thermique ; échangeur géo-thermique ; modélisation

En bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante :

Nguyen D., Lesueur H. (2017) – Projet SeleCO2 - Etude du comportement thermomécanique de l’échangeur géothermique et de l’encaissant –- Rap. BRGM/RP-65599-FR, 45 p., 22 ill., 6 ann. (annexe 6 sur CD-ROM)

BRGM, 2017, ce document ne peut être reproduit en totalité ou en partie sans l'autorisation expresse du BRGM.

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BRGM/RP-65599-FR – Rapport final 3

Synthèse

‘étude du comportement thermomécanique de l’échangeur géothermique et de l’encaissant a porté sur les points suivants :

a. Modélisation du comportement géomécanique du géostock : On modélise le comportement géomécanique d’un géostock comprenant 2161 échangeurs géothermiques de 12m de longueur espacés de 0,5m suivant une implantation hexagonale régulière et encaissés dans un granite. La pression dans les échangeurs est de 120bar. L’examen de sections horizontales dans le géostock vis-à-vis de la contrainte de von Mises σe évaluant un éventuel écoulement plastique (i.e., une déformation non-réversible) du granite encaissant atteint au maximum une valeur de 12MPa et 18MPa et reste clairement dans le domaine élastique, très en-deçà de la limite élastique du granite. La déformation spatiale maximale au sein du granite encaissant le géostock est de l’ordre de 1,7mm.

b. Conception de l’échangeur géothermique haute-température haute-pression : Un échangeur géothermique constitué d’une baudruche en élastomère de silicone de 200mm de diamètre et d’un tube intérieur coaxial également en élastomère de silicone peut permettre de lever le verrou technologique du couplage thermique à une température supérieure à 100°C entre la paroi de l’échangeur et le massif rocheux encaissant. La mise en pression par le fluide caloporteur circulant dans l’échangeur va porter en contact direct la paroi extérieure de l’échangeur coaxial avec le massif rocheux encaissant, faisant l’économie de tout ciment hydraté de colmatage à introduire dans le trou de forage. L’élasticité de la paroi extérieure de l’échangeur géothermique facilite par ailleurs la contention de la pression interne du fluide caloporteur qui se trouve reprise par le massif rocheux encaissant pour les parties de l’échangeur en contact avec la roche. La partie supérieure de l’échangeur en contact avec la pression atmosphérique est quant à elle contenue par un harnais autobloquant fabriqué en sangles aramide. Les performances des machines de foration spécialisée permettent d’envisager la réalisation d’échangeurs géothermiques verticaux d’une longueur pouvant atteindre 30m.

c. Détermination du coefficient de frottement d’une sangle aramide comme élément de l’échangeur géothermique : Les coefficients de frottement moyens expérimentaux pour une sangle aramide comprimée entre une membrane d’élastomère de silicone et une paroi de granite brute de sciage sont de 0,18 et 0,24 pour les valeurs respectivement de 80bar et 120bar de compression de la sangle. Ces coefficients de frottement permettent d’estimer la largeur totale de sangles aramide intégrer au harnais de contention, et valident finalement la solution technologique du harnais de contention autobloquant pour la face supérieure de l’échangeur géothermique.

d. Caractérisation mécanique et thermophysique des granites soumis à un cyclage thermique : La résistance à la compression uniaxiale et la conductivité thermique d’éprouvettes de granite n’apparaissent pas être modifiées de façon appréciable par un cyclage thermique de ces éprouvettes entre les températures de 30°C et 140°C, et cela sur des durées de plusieurs centaines de cycles et pour des gradients d’élévation thermique environ dix fois supérieur au gradient de chauffage ou de refroidissement dans le géostock qui serait envisagé industriellement.

L’étude du comportement thermomécanique de l’échangeur géothermique et de l’encaissant est ici entendue comme l’étude du comportement mécanique du granite avec un volet sur l’évolution de certaines de ses propriétés avec la température. Il s’agit d’une première approche

L



du comportement mécanique prévisionnel d’un géostock soumis à un cyclage thermique dans les conditions opérationnelles prévues par le concept SeleCO2.

Les travaux réalisés montrent le caractère réaliste du concept SeleCO2 pour son volet en rela-tion avec le massif rocheux. En négligeant les effets d’une dilatation différentielle sous une sol-licitation thermiquement zonée, la modélisation du comportement géomécanique du géostock laisse prévoir un niveau de contrainte restant clairement dans le domaine élastique du granite encaissant, et une déformation relative de l’ordre de 10-4 très faible donc au sein du géostock. Le concept d’un échangeur géothermique coaxial en élastomère de silicone devrait permettre de lever le verrou technologique du couplage thermique à une température supérieure à 100°C entre la paroi de l’échangeur et le massif rocheux encaissant ; ce verrou technologique avait été identifié dans le document scientifique du projet. Les coefficients de frottement expérimentaux pour une sangle aramide comprimée entre une membrane d’élastomère de silicone et une paroi de granite brute de sciage valident la solution technologique du harnais de contention autoblo-quant pour la face supérieure de l’échangeur géothermique, et permettent d’estimer la largeur totale de sangles devant composer le harnais de contention. Finalement, la résistance à la compression uniaxiale et la conductivité thermique d’éprouvettes de granite n’apparaissent pas être modifiées de façon appréciable par un cyclage thermique de ces éprouvettes entre les températures extrêmes prévues par le projet, et cela sur des durées de plusieurs centaines de cycles ; avec l’hypothèse que le comportement observé sur les échantillons se retrouve au ni-veau du massif granitique mis en œuvre (i.e., pas de fissuration pluri-métrique dans le granite du site, homogénéité minéralogique et pas ou peu d’inclusions à l’échelle du géostock, etc.), cette situation est de nature à conforter le concept SeleCO2 qui peut considérer que les condi-tions d’opération du stockage thermique diffusif qu’il imagine pour le pôle chaud du doublet dans un granite encaissant sain, non-fracturé et hors d’eau, ne semblent pas dégrader la résis-tance mécanique ou la conductivité thermique de ce granite.

Des travaux de recherche ultérieurs qui seraient conduits dans le cadre de la promotion du concept SeleCO2 sur le comportement thermomécanique de l’échangeur géothermique et de l’encaissant pourraient porter sur les points suivants : (a) Multiplication des tests de cyclage thermique sur éprouvettes entre les températures de 30°C et 140°C, afin de disposer d’une base statistique plus large pour en tirer une confirmation sur l’absence d’incidence du cyclage thermique sur la conductivité thermique du granite ; (b) Fabrication d’un prototype d’échangeur géothermique coaxial en élastomère de silicone, pour démontrer la faisabilité industrielle de sa conception.

Le projet de recherche SeleCO2 (ANR-13-SEED-0004) prévoit la fourniture par BRGM de quatre livrables. Le présent rapport correspond au livrable L2.1-2 « Etude du comportement thermomécanique de l’échangeur géothermique et de l’encaissant ».



Sommaire

1. Introduction .......................................................................................................................... 7

2. Modélisation du comportement géomécanique du géostock ............................................... 9

2.1. Caractéristiques du dispositif modélisé .................................................................... 9

2.2. Interprétation des résultats ..................................................................................... 11

3. Conception de l’échangeur géothermique haute-température haute-pression .................. 15

3.1. Conception de principe ........................................................................................... 15

3.2. Avantages de l’échangeur géothermique ............................................................... 15

3.3. Diamètre du tube intérieur ...................................................................................... 16

3.4. Harnais de contention de l’échangeur .................................................................... 16

3.5. Longueur envisageable pour l’échangeur ............................................................... 17

4. Détermination du coefficient de frottement d’une sangle aramide comme élément de l’échangeur géothermique ................................................................................................. 21

4.1. Motivation des essais ............................................................................................. 21

4.2. Dispositif expérimental et déroulement des essais ................................................. 21

4.3. Calcul du coefficient de frottement ......................................................................... 22

5. Caractérisation mécanique et thermophysique des granites soumis à un cyclage thermique .......................................................................................................................... 25

5.1. Contexte et motivation ............................................................................................ 25

5.2. Détermination expérimentale .................................................................................. 26

5.3. Interprétation des résultats ..................................................................................... 27

6. Conclusion......................................................................................................................... 31

7. Bibliographie ...................................................................................................................... 33

Liste des illustrations

Illustration 1 – Caractéristiques du géostock modélisé ............................................................. 10

Illustration 2 – Maillage tétraédrique du modèle numérique (388 000 éléments) ...................... 10

Illustration 3 – Déplacement (déformation) du granite encaissant le géostock .......................... 11

Illustration 4 – Sections horizontales du géostock vis-à-vis de la contrainte de von Mises ........ 12

Illustration 5 – Modèle du comportement géomécanique du géostock (Comsol ver. 4.3) .......... 13

Illustration 6 – Essai de déformabilité uniaxiale du granite de Lanhélin (éprouvette n° AL) ....... 13

Illustration 7 – Calcul des pertes de charge dans l’échangeur géothermique coaxial ................ 16



Illustration 8 – Echangeur géothermique SeleCO2 : baudruche & tube intérieur en élastomère de silicone ..................................................................................... 18

Illustration 9 – Machine de foration pour pieux géotechniques SOILMEC SF-65 ....................... 19

Illustration 10 – Volume intérieur aux pieux sécants excavé (un pieu sur deux ferraillé)............ 19

Illustration 11 – Caractéristiques des éléments mis en œuvre pour l’essai de frottement .......... 21

Illustration 12 – Dispositif expérimental de détermination du coefficient de frottement .............. 22

Illustration 13 – Effort mesuré en fonction de la durée de la traction ......................................... 23

Illustration 14 – Coefficient de frottement en fonction du déplacement de la traverse mobile .............................................................................................................. 23

Illustration 15 – Coefficient de frottement en fonction de la compression de la sangle .............. 24

Illustration 16 – Essai de déformabilité uniaxiale - Eprouvette n° AL (granite de Lanhélin) ........ 28

Illustration 17 – Caractérisation mécanique et thermophysique des éprouvettes en granite de Lanhélin ...................................................................................................... 28

Illustration 18 – Caractérisation mécanique et thermophysique des éprouvettes en granite de Sénones ...................................................................................................... 28

Illustration 19 – Résistance à la compression axiale en fonction du nombre de cycles thermiques ....................................................................................................... 29

Illustration 20 – Conductivité thermique en fonction du nombre de cycles thermiques .............. 29

Illustration 21 – Courbes contrainte-déformation du granite de Sénones sous température - έ = 10-5 s-1 (R. Houpert & al.) ....................................................................... 30

Illustration 22 – Contenu du cédérom joint en annexe du rapport .............................................. 45

Liste des annexes

Annexe 1 – Bedrock-hosted diffusive hot storage for large-scale thermo-electric energy storage by thermal doublet – Publication EUROCK 2017 ................................. 35

Annexe 2 – Document scientifique du projet SeleCO2 .............................................................. 37

Annexe 3 – Rapport d’essais géomécaniques sur échantillons Lanhélin (ANTEA) .................... 39

Annexe 4 – Rapport d’essais géomécaniques sur échantillons Sénones (EPFL) ...................... 41

Annexe 5 – Rapport d’essais thermophysiques sur échantillons Lanhélin et Sénones (Thermoconcept).............................................................................................. 43

Annexe 6 – Données numériques (CD-ROM) ........................................................................... 45



1. Introduction

Le projet de recherche SeleCO2 (ANR-13-SEED-0004) prévoit la fourniture par BRGM de quatre livrables. Le présent rapport correspond au livrable L2.1-2 « Etude du comportement thermomécanique de l’échangeur géothermique et de l’encaissant ». Le document porte sur les points ci-après :

a. Modélisation du comportement géomécanique du géostock

b. Conception de l’échangeur géothermique haute-température haute-pression

c. Détermination du coefficient de frottement d’une sangle aramide comme élément de l’échangeur géothermique

d. Caractérisation mécanique et thermophysique des granites soumis à un cyclage ther-mique

Les trois autres livrables BRGM concernent l’étude énergétique du champ d’échangeurs géo-thermiques (L2.1-1), l’évaluation du coût de la construction du géostock (L2.1-3), et le rapport des essais thermophysiques, thermomécaniques et de transfert thermique (L3.2-1).

L’étude du comportement thermomécanique de l’échangeur géothermique et de l’encaissant est ici entendue comme l’étude du comportement mécanique du granite avec un volet sur l’évolution de certaines de ses propriétés avec la température. Il s’agit d’une première approche du comportement mécanique prévisionnel d’un géostock soumis à un cyclage thermique dans les conditions opérationnelles prévues par le concept SeleCO2.

Le concept SeleCO2 pour son volet général en relation avec le massif rocheux encaissant le géostock est décrit par la publication préparée pour EUROCK 2017 « Bedrock-hosted diffusive hot storage for large-scale thermo-electric energy storage by thermal doublet » (Ann. 1). Le do-cument scientifique du projet indiquant l’articulation du projet de recherche est fourni (Ann. 2). Les trois rapports d’avancement mentionnés en bibliographie peuvent par ailleurs indiquer l’évolution à mesure du déroulement du projet de recherche de l’approche scientifique et tech-nique de BRGM sur un certain nombre de points abordés, par exemple sur la conception de l’échangeur géothermique haute-température haute-pression.



2. Modélisation du comportement géomécanique du géostock

On modélise le comportement géomécanique d’un géostock comprenant 2161 échangeurs géothermiques de 12m de longueur espacés de 0,5m suivant une implantation hexagonale régulière et encaissés dans un granite. La pression dans les échangeurs est de 120bar. L’examen de sections horizontales dans le géostock vis-à-vis de la contrainte de von Mises σe évaluant un éventuel écoulement plastique (i.e., une déformation non-réversible) du granite encaissant atteint au maximum une valeur de 12MPa et 18MPa et reste clairement dans le domaine élastique, très en-deçà de la limite élastique du granite. La déformation spatiale maximale au sein du granite encaissant le géostock est de l’ordre de 1,7mm, correspondant à une déformation relative de l’ordre de 10-4 très faible donc au sein du géostock.

2.1. CARACTERISTIQUES DU DISPOSITIF MODELISE

On modélise le comportement géomécanique d’un géostock comprenant 2161 échangeurs géo-thermiques de 12m de longueur espacés de 0,5m suivant une implantation hexagonale régu-lière et encaissés dans un granite (Illustration 1). Les paramètres géomécaniques du granite encaissant sont les valeurs expérimentales obtenues par le projet SeleCO2 sur des éprouvettes de granite de Lanhélin soumises à des essais de déformabilité uniaxiale décrits dans le Chap. 4.

La modélisation qui a été conduite porte sur le comportement mécanique du géostock, et le couplage thermique et mécanique du granite (dilatation thermique, changement de comporte-ment, etc.) n’a pas été considéré en première approche pour la motivation suivante : le compor-tement thermophysique du granite encaissant au regard des conditions thermiques abordé via des essais expérimentaux de cyclage thermique décrit au Chap. 5 permettent de conclure qu’a priori le comportement mécanique du granite n’évoluera que peu dans la gamme de tempéra-ture du concept SeleCO2 (en négligeant l’effet d’échelle).

La pression dans les échangeurs est de 120bar. Le concept de principe de l’échangeur géo-thermique avec un corps en élastomère de silicone et un harnais de contention en sangles aramide pour la reprise de l’effort exercée par la pression du fluide caloporteur sur la partie libre de l’échangeur en contact avec la pression atmosphérique est traité au Chap. 3. Le logiciel Comsol Multiphysics est utilisé pour la modélisation du comportement géomécanique du granite encaissant (Illustration 5). Les symétries de l’hexagone permettent de n’avoir à modéliser qu’un secteur circulaire de 30° du géostock. L’influence de l’ancrage mécanique d’un harnais de con-tention de 1m de longueur est prise en compte. Les forces de gravité sont négligées. La condi-tion aux limites est une condition de déplacement nul à la frontière de l’environnement, et la face supérieure du modèle libre. Le maillage du modèle numérique est réalisé par éléments tétraédriques (388 000 éléments - Illustration 2). Le fichier du modèle Comsol correspondant est transmis (Ann. 6).



Paramètre Valeur Observation

Rayon du géostock 12,3m Granite encaissant : 2650 kg/m³ ; module d’Young 16GPa ; coeffi-cient de Poisson ν : 0.26 (moyenne des données expérimentales sur le granite de Lanhélin – Chap. 4).

Hauteur du géostock 12,3m

Rayon de l’environnement 25,0m Environnement du géostock avec la condition de déplacement nul à la frontière de l’environnement, et face supérieure libre. Hauteur de l’environnement 25,0m

Longueur de l’échangeur 12,0m

Distance entre les échangeurs 0,5m 2161 échangeurs au total dans le géostock suivant une implantation hexagonale régulière.

Rayon de l’échangeur 0,1m

Longueur de l’ancrage du har-nais de contention

1,0m Reprise de l’effort exercée par la pression du fluide caloporteur sur la partie supérieure de l’échangeur par le harnais de contention.

Pression du fluide caloporteur dans les échangeurs

120bar Soit du point de vue du massif encaissant une pression de compres-sion radiale de 120bar sur les parois du forage.

Illustration 1 – Caractéristiques du géostock modélisé

Illustration 2 – Maillage tétraédrique du modèle numérique (388 000 éléments)



2.2. INTERPRETATION DES RESULTATS

L’examen de sections horizontales dans le géostock vis-à-vis de la contrainte de von Mises σe évaluant un éventuel écoulement plastique (i.e., une déformation non-réversible) du granite encaissant n’indique pas de zone particulière d’accumulation de contraintes anormalement éle-vées dans le géostock1 (Illustration 4). Au plus près des échangeurs la valeur de la contrainte σe s’établit entre 12MPa et 18MPa et reste clairement dans le domaine élastique du granite très en-deçà de sa limite élastique (Illustration 6) dans la gamme de température requise pour Se-leCO2. La déformation spatiale maximale (déplacement) au sein du granite encaissant le géos-tock est de l’ordre de 1,7mm (Illustration 3), correspondant à une déformation relative de l’ordre de 10-4 très faible donc au sein du géostock.

Illustration 3 – Déplacement (déformation) du granite encaissant le géostock

1 La distribution spatialement structurée suivant l’axe des x des valeurs de la contrainte montrée dans les sections

horizontales est un artefact de calcul expliqué par l’orientation du maillage du volume modélisé.



Illustration 4 – Sections horizontales du géostock vis-à-vis de la contrainte de von Mises



Illustration 5 – Modèle du comportement géomécanique du géostock (Comsol ver. 4.3)

Illustration 6 – Essai de déformabilité uniaxiale du granite de Lanhélin (éprouvette n° AL)

Contrainte de von Mises σe modélisée entre 12MPa et 18MPa



3. Conception de l’échangeur géothermique haute-température haute-pression

Un échangeur géothermique constitué d’une baudruche en élastomère de silicone de 200mm de diamètre et d’un tube intérieur coaxial également en élastomère de silicone peut permettre de lever le verrou technologique du couplage thermique à une température supérieure à 100°C entre la paroi de l’échangeur et le massif rocheux encaissant. La mise en pression par le fluide caloporteur circulant dans l’échangeur va porter en contact direct la paroi extérieure de l’échangeur coaxial avec le massif rocheux encaissant, faisant l’économie de tout ciment hydra-té de colmatage à introduire dans le trou de forage. L’élasticité de la paroi extérieure de l’échangeur géothermique facilite par ailleurs la contention de la pression interne du fluide calo-porteur qui se trouve reprise par le massif rocheux encaissant pour les parties de l’échangeur en contact avec la roche. La partie supérieure de l’échangeur en contact avec la pression at-mosphérique est quant à elle contenue par un harnais autobloquant fabriqué en sangles ara-mide. Les performances des machines de foration spécialisée permettent d’envisager la réalisa-tion d’échangeurs géothermiques verticaux d’une longueur pouvant atteindre 30m.

3.1. CONCEPTION DE PRINCIPE

On imagine un échangeur constitué d’une baudruche en élastomère de silicone et d’un tube intérieur coaxial également en élastomère de silicone (Illustration 8). Le fluide caloporteur CO2 supercritique parcourt le tube intérieur en descendant, puis remonte dans l’espace annulaire compris entre le tube intérieur et la paroi externe de l’échangeur. Suivant cette conception, le fluide injecté va parcourir la totalité de l’échangeur en garantissant la possibilité d’un échange thermique adéquat avec le massif rocheux encaissant sur la longueur complète de l’échangeur géothermique.

Une qualité d’élastomère de silicone à conductivité augmentée à une valeur proche de celle de la roche encaissante (typiquement 3W/m·K) est utilisée pour la paroi extérieure de l’échangeur en contact avec le massif encaissant2. La conception présentée ne peut pas interdire tout échange thermique à travers la paroi du tube intérieur entre le fluide descendant et le fluide remontant dans l’échangeur, et cette « fuite » thermique interne réduit les transferts thermiques globaux de l’échangeur avec le massif encaissant. L’élastomère de silicone dans sa qualité standard possède cependant une conductivité thermique faible (0,2W/m·K), ce qui devrait per-mettre de limiter la fuite thermique interne, si besoin en prévoyant une forte épaisseur pour la paroi du tube intérieur ou par d’autres moyens techniques à étudier.

3.2. AVANTAGES DE L’ECHANGEUR GEOTHERMIQUE

La mise en pression par le fluide caloporteur circulant dans l’échangeur géothermique va porter en contact direct la paroi extérieure de l’échangeur coaxial avec le massif rocheux encaissant. Ce concept d’échangeur permettrait de s’affranchir alors de tout ciment hydraté de colmatage à introduire dans le trou de forage. L’échangeur peut ainsi lever le verrou technologique du cou-plage thermique à une température supérieure à 100°C entre la paroi de l’échangeur et le mas-sif rocheux encaissant, verrou identifié dans le document scientifique du projet (Ann. 2).

2 Des qualités spéciales d’élastomère de silicone à conductivité thermique cinq à dix fois supérieure à la conductivité

d’une qualité standard (0,2W/m·K), ont été mises au point et sont disponibles industriellement.



L’élasticité de la paroi extérieure de l’échangeur facilite par ailleurs la contention de la pression interne du fluide caloporteur qui se trouve reprise par le massif rocheux encaissant pour les parties de l’échangeur en contact avec la roche. Cette pression interne atteint 120bar, et une contention par une paroi rigide requerrait par exemple une épaisseur d’acier de plusieurs di-zaines de millimètres pour la paroi extérieure de l’échangeur.

3.3. DIAMETRE DU TUBE INTERIEUR

Pour un diamètre d’échangeur de 200mm, on a déterminé la valeur de 130mm environ pour le diamètre du tube intérieur afin que la perte de charge entre l’entrée et la sortie de l’échangeur (i.e., la totalité du parcours du fluide dans l’échangeur) soit minimale (Illustration 7). On peut aussi noter que la perte de charge dans ces conditions pour une ligne complète du géostock comportant 45 échangeurs de 12m de long en série est de 0,30bar (hors conduites de surface), et reste tout à fait acceptable pour le concept SeleCO2 où le fluide caloporteur circule à une pression de 120bar environ.

Paramètre Valeur Observation

Dm (kg/s) 5 CO2 supercritique {138°C - 120bar}

Rayon de l'échangeur géothermique (m) 0,100

Masse volumique du fluide rho (kg/m^3) 196,58

Viscosité dynamique du fluide (Pa.s) 2,39E-05

Longueur Tube intérieur (m) 12 Egalement longueur de l’échangeur

Rayon Tube intérieur (m) 0,065

Section Tube intérieur (m^2) 1,33E-02

Vitesse dans Tube intérieur (m/s) 1,92

Section Retour annulaire (m^2) 1,81E-02

Vitesse Retour annulaire (m/s) 1,40

Nombre de Reynolds Re Tube intérieur 2,05E+06

Nombre de Reynolds Re Retour annulaire 2,30E+06

Coefficient de frottement Tube intérieur 0,0103 Formule de Nikuradzé

Diamètre équivalent Tube intérieur (m) 0,130

ΔP Tube intérieur (Pa) 342

Coefficient de frottement Retour annulaire 0,0101 Formule de Nikuradzé (rugosité 1.5E-03 mm)

Diamètre équivalent Retour annulaire (m) 0,0700

ΔP Retour annulaire (Pa) 333

ΔP {Tube intérieur + Retour annulaire} (bar) 0,0068

ΔP pour 45 échangeurs de 12m en série (bar) 0,30 Hors conduites de surface

Illustration 7 – Calcul des pertes de charge dans l’échangeur géothermique coaxial

3.4. HARNAIS DE CONTENTION DE L’ECHANGEUR

La partie supérieure de l’échangeur géothermique en contact avec la pression atmosphérique est contenue par un harnais fabriqué en sangles aramide (par exemple Kevlar). L’objet du har-nais de contention est d’utiliser les forces de friction entre la paroi en élastomère de l’échangeur et la paroi rocheuse du forage sous la contrainte de la pression interne dans l’échangeur pour s’opposer aux efforts verticaux s’exerçant sur la partie supérieure de la baudruche en contact avec la pression atmosphérique. Les extrémités libres des sangles en aramide constituant le harnais de contention sont ainsi bloquées par écrasement sur une longueur d’environ 1m entre la baudruche de l’échangeur mise en pression par le fluide caloporteur et la paroi du trou de forage.

Pour une pression interne de 120bar dans l‘échangeur, l’effort sur la partie supérieure de

l’échangeur de 200mm de diamètre en contact avec la pression atmosphérique est de 3810^3



daN. Cet effort est repris par le harnais en sangles aramide, et le risque de rupture du dispositif se situe à deux niveaux : rupture par traction des sangles, ou bien glissement des sangles entre la paroi élastomère de l’échangeur et la roche.

Concernant le risque de rupture des sangles, une résistance à la traction de 2.10^3 daN par cm de large est envisageable pour des sangles aramide, et une largeur cumulée d’une quarantaine de centimètres de sangles aramide réparties sur les 62cm de circonférence de la baudruche suffira à reprendre l’effort sur la partie supérieure de l’échangeur avec les coefficients de sécuri-té requis.

Reste à déterminer la longueur de l’extrémité en ancrage de la sangle qui devra être bloquée par écrasement entre la baudruche de silicone et le massif rocheux (i.e., la paroi du trou du fo-rage). Faisons l’hypothèse d’une longueur d’un mètre pour une sangle de 1cm de large, soit une surface de sangle de 100cm² soumise à la pression de 120bar correspondant donc à un

effort d’écrasement de la sangle de 1210^3 daN, pression sur laquelle on doit compter pour résister à une traction de 10^3 daN sur la sangle en question. Des mesures de coefficient de frottement de la sangle en compression avec la contrainte prévue (Chap. 4) ont permis de s’assurer expérimentalement qu’il n’y aura pas dans ces conditions glissement de la sangle entre la paroi élastomère de l’échangeur et la roche, y compris avec les coefficients de sécurité requis.

3.5. LONGUEUR ENVISAGEABLE POUR L’ECHANGEUR

Des équipements de foration permettent la réalisation de forages en une seule passe jusqu’à des profondeurs de 30m. La machine montrée sur l’Illustration 9 est équipée d’une tarière de 500mm de diamètre3, mais d’autres outils de foration peuvent être mis en œuvre. Plusieurs di-zaines de pieux sécants de 8m de profondeur sont prévus sur le chantier concerné, avec la finalité de constituer une barrière continue de béton coulé et armé. L’entre-axe des forages est de 470mm (de là la dénomination de pieux « sécants »), avec donc une précision de position-nement topographique des forages de 30mm, et la verticalité du mât de la machine de foration est contrôlée dans les deux axes avec une précision de 0,1°. Les performances de ce type de machine de foration spécialisée permettent en conséquence d’envisager pour SeleCO2 la réali-sation d’échangeurs géothermiques verticaux d’une longueur pouvant atteindre 30m.

3 SOILMEC SF-65 sur un chantier de Montpellier. La hauteur maximale du mât de foration de cette machine est de

30m. Des forages de 30m de profondeur peuvent donc être réalisés en une seule passe. SOILMEC - 47522 Cese-na (FC) - Italie.



Illustration 8 – Echangeur géothermique SeleCO2 : baudruche & tube intérieur en élastomère de silicone



Illustration 9 – Machine de foration pour pieux géotechniques SOILMEC SF-65

Illustration 10 – Volume intérieur aux pieux sécants excavé (un pieu sur deux ferraillé)



4. Détermination du coefficient de frottement d’une sangle aramide comme élément de l’échangeur

géothermique

Les coefficients de frottement moyens expérimentaux pour une sangle aramide comprimée entre une membrane d’élastomère de silicone et une paroi de granite brute de sciage sont de 0,18 et 0,24 pour les valeurs respectivement de 80bar et 120bar de compression de la sangle. Ces coefficients de frottement permettent d’estimer la largeur totale de sangles aramide intégrer au harnais de contention, et valident finalement la solution technologique du harnais de conten-tion autobloquant pour la face supérieure de l’échangeur géothermique.

4.1. MOTIVATION DES ESSAIS

On détermine expérimentalement le coefficient de frottement d’une sangle aramide compressée (i.e., prise en sandwich) entre une paroi de granite brute de sciage et une membrane d’élastomère de silicone afin de valider la solution technologique visant à contenir la partie su-périeure de l’échangeur géothermique en contact avec la pression atmosphérique par un har-nais autobloquant fabriqué en sangles aramide (Chap. 3).

4.2. DISPOSITIF EXPERIMENTAL ET DEROULEMENT DES ESSAIS

Les essais ont été conduits par le centre d’essais mécaniques Mécanium pour les éléments mis en œuvre dans l’empilement indiqués par l’Illustration 11. Un montage spécifique permettant le bridage a été réalisé pour le maintien des différents éléments. Les essais sont réalisés sur une machine de traction compression d'une capacité de 100kN à température ambiante. Pendant l'extraction de la sangle, l'effort est mesuré à l'aide du capteur machine et le déplacement de la sangle est mesuré par vidéo extensométrie. Les deux mesures sont synchronisées. Les essais se déroulent en deux temps. La première étape consiste à brider l'ensemble en utilisant une machine de compression. Un effort presseur est appliqué sur le montage dans le but d'obtenir la pression de contact souhaitée, puis les vis de bridage sont serrées afin de reprendre cet ef-fort de bridage. Dans un second temps, la sangle en Kelvar est extraite du montage en utilisant une machine de traction.

Elément mis en œuvre dans l’empilement Caractéristiques

Membrane en élastomère de silicone, épaisseur 7mm

Dureté 60 shore A – Résistance à la rupture 7MPa – Allongement rup-ture à la traction : 350% – Résistance au déchirement Type C : 16 kN/m – Masse volumique 1,15 g/cm^3 (réf. EQ260G - Progress silicones)

Sangle aramide, largeur 20mm 100% Kevlar - Résistance légèrement inférieure à 2 tonnes (environ 20kN) - réf. 4206/20 - Schoutteten & Froidure

Granite, dimension de la face compressée : 20mm × 50mm

Etat de surface de la face compressée en contact avec la sangle : face sciée

Bridage : longueur 50mm × largeur 20mm Vitesse de déplacement de la traverse mobile : 5mm/s

Illustration 11 – Caractéristiques des éléments mis en œuvre pour l’essai de frottement

Les essais sont réalisés pour les deux pressions de bridage de 80bar et 120bar correspondant aux pressions de travail du fluide caloporteur dans l’échangeur. Des essais complémentaires sont également conduits pour des pressions de bridage de 22bar et 400bar afin de mieux con-traindre la valeur du coefficient de frottement dans les conditions opérationnelles du système SeleCO2.



Pour les compressions testées un comportement similaire est observé. L'effort sur la sangle augmente jusqu'à atteindre un maximum (Illustration 13). Avant ce maximum, la sangle ne glisse pas dans l'empilement de granit et d'élastomère. A partir de ce maximum, la sangle glisse et l'effort diminue. Le relevé du déplacement de la sangle permet d'obtenir la surface de sangle en contact et donc de déduire le coefficient de frottement.

Illustration 12 – Dispositif expérimental de détermination du coefficient de frottement

4.3. CALCUL DU COEFFICIENT DE FROTTEMENT

Le coefficient de frottement est calculé suivant la relation [1] :

Cf = F / (P*(L0-D)*La) [1]

Avec :

Cf : coefficient de frottement

F : Effort mesuré pendant essai

P : Pression de contact

L0 : Longueur de bridage initiale (50mm)

D : Déplacement de la sangle

La : Largeur de la sangle (20mm)

Le coefficient de frottement calculé est constant entre 10 et 30 mm de déplacement de la tra-verse mobile (Illustration 14). C'est sur cette zone qu'est calculé le coefficient de frottement moyen. Le coefficient calculé au-delà de 40 mm de déplacement n'est pas représentatif du coefficient de frottement réel pour la raison suivante : au-delà de 40 mm de déplacement, on observe visuellement que les fibres des sangles Kevlar se détissent. L'augmentation du coeffi-cient de frottement sur cette zone est expliquée par ce phénomène.

L’analyse des résultats expérimentaux entre 10 et 30 mm de déplacement conduit finalement aux coefficients de frottement moyen de 0,18 et 0,24 pour les valeurs respectivement de 80bar et 120bar de compression de la sangle aramide entre la membrane d’élastomère de silicone et la face de granite sciée (Illustration 15).

Les coefficients de frottement déterminés expérimentalement pour une sangle aramide prise en sandwich entre une membrane d’élastomère de silicone et une paroi de granite sciée sont con-



formes à ce qui pourrait être déduit de la littérature technique. Ils valident la solution technolo-gique du harnais autobloquant puisque, suivant l’évaluation développée au § 3.4, une lanière d’une cinquantaine de centimètres de long bloquée entre la paroi de l’échangeur mis en pres-sion à 120bar et le massif rocheux encaissant suffirait à contenir pour la largeur qui la concerne la traction résultant de la pression du fluide caloporteur contre la face supérieure de l’échangeur géothermique.

Illustration 13 – Effort mesuré en fonction de la durée de la traction

Illustration 14 – Coefficient de frottement en fonction du déplacement de la traverse mobile

120bar 80bar 22bar



Illustration 15 – Coefficient de frottement en fonction de la compression de la sangle



5. Caractérisation mécanique et thermophysique des granites soumis à un cyclage thermique

La résistance à la compression uniaxiale et la conductivité thermique d’éprouvettes de granite n’apparaissent pas être modifiées de façon appréciable par un cyclage thermique de ces éprouvettes entre les températures de 30°C et 140°C, et cela sur des durées de plusieurs cen-taines de cycles et pour des gradients d’élévation thermique environ dix fois supérieur au gra-dient de chauffage ou de refroidissement dans le géostock qui serait envisagé industriellement. Avec l’hypothèse que le comportement observé sur les échantillons se retrouve au niveau du massif granitique mis en œuvre (i.e., pas de fissuration pluri-métrique dans le granite du site, homogénéité minéralogique et pas ou peu d’inclusions à l’échelle du géostock, etc.), cette situa-tion est de nature à conforter le concept du projet SeleCO2 de stockage massif d’électricité par doublet thermique « Géostock thermique + Stockage de glace » et CO2 caloporteur, qui peut considérer que les conditions d’opération du stockage thermique diffusif qu’il imagine pour le pôle chaud du doublet jusqu’à 140°C dans un granite encaissant sain, non-fracturé et hors d’eau, ne semblent pas dégrader la résistance mécanique ou la conductivité thermique de ce granite. Des essais supplémentaires seront cependant requis afin de disposer d’un échantillon plus nombreux permettant de confirmer statistiquement cette observation.

5.1. CONTEXTE ET MOTIVATION

Les cycles de stockage-déstockage thermique du dispositif de stockage d’énergie imaginé par le concept SeleCO2 induisent une variation thermique pluri-horaire dans le massif rocheux en-caissant, dont la température va varier entre 30°C et 140°C de façon cyclique et cela sur plu-sieurs centaines de cycles. La connaissance donc du comportement mécanique et thermophy-sique (conductivité thermique en W/m·K) des granites soumis à un cyclage thermique aux tem-pératures envisagées est essentielle pour le projet SeleCO2.

R. Houpert a examiné le comportement mécanique de matériaux rocheux, dont plusieurs gra-nites, jusqu’à une température de 600°C. Les études du comportement mécanique d'un granite soumis à une élévation de température de l’ordre quelques centaines de degrés ont générale-ment été conduites dans un passé récent en vue du stockage de déchets radioactifs dans un massif granitique. E. C. Robertson a compilé les valeurs de conductivité thermique de nom-breuses roches à la température à température ambiante (27°C / 300K), et fourni des courbes de relation entre conductivité thermique et température pour différentes roches et minéraux

Aucune référence expérimentale n’a pu être identifiée dans la littérature scientifique et tech-nique pour la résistance à la compression ou la conductivité thermique d’un granite soumis à un cyclage thermique avec l’intensité de plusieurs centaines de cycles et aux températures envi-sagées par le concept SeleCO2. Dans ces conditions, le projet SeleCO2 a décidé d’engager une détermination expérimentale de ces propriétés mécanique et thermophysique sur la base d’échantillons de deux granites de référence.



5.2. DETERMINATION EXPERIMENTALE

5.2.1. Granites mis en œuvre

On soumet à un cyclage thermique des échantillons de granite de Lanhélin4, sélectionné pour sa faible porosité et sa stabilité dimensionnelle, et des échantillons de granite de Sénones5, choisi afin de mettre à profit les données de comportement mécanique de ce granite qui avait été étudié par R. Houpert en 1984 dans le cadre d’essais de résistance à la compression sous température après élévation thermique simple.

5.2.2. Déroulement des essais

Les éprouvettes testées ont un diamètre de 50mm et une longueur de 150mm. Des mesures non-destructives de masse volumique et de porosité ouverte et totale sont réalisées avant cy-clage thermique. La mesure de la porosité totale est effectuée par méthode au pycnomètre sur un morceau d’éprouvette préalablement scié et broyé. Le cyclage thermique est ensuite conduit pour le nombre de cycles déterminé pour l’éprouvette et pouvant atteindre 600 cycles. Le gra-dient au chauffage comme au refroidissement est de 1°C/minute6 sans palier. A l’issue du cy-clage thermique deux disques de 20 mm sont tronçonnés aux extrémités de chacune des éprouvettes afin d’effectuer la mesure de conductivité thermique suivant la technique du Hot Disk standard. La porosité est de nouveau mesurée sur les éprouvettes raccourcies à 110mm qui finalement sont soumises à l’essai destructif de compression uniaxiale.

Le plan d’expérience adopté ainsi que la conduite de l’essai destructif de compression uniaxiale à l’issue du cyclage thermique font qu’il n’est pas été possible de mesurer les paramètres géo-mécaniques ou thermophysiques pour un même échantillon ayant subi plusieurs cyclages thermiques (e.g., 100 cycles et 200 cycles). Les valeurs expérimentales sont donc à comparer entre éprouvettes testées du même lot d’essais : n° AL à GL pour le lot d’éprouvettes de granite de Lanhélin, n° AS à GS pour le lot d’éprouvettes de granite de Sénones.

5.2.3. Températures du cyclage thermique

Le cyclage « chaud » 50°C / 95°C, comme la conduite d’un cyclage « froid » -55°C / -10°C sur les éprouvettes en granite de Lanhélin tiennent leur explication dans la réalisation de ces essais en début du projet de recherche. Les paramètres de fonctionnement du pôle chaud du doublet thermique SeleCO2 n’étaient pas alors encore totalement établis, et l’évolution conceptuelle du projet pour le pôle froid a d’autre part substitué un stockage en chaleur latente de fusion de la glace au stockage thermique diffusif « froid » dans un granite initialement envisagé, et en cela a rendu inutile l’essai de cyclage « froid » sur éprouvettes.

Le cyclage « chaud » 30°C / 140°C réalisé sur les éprouvettes en granite de Sénones plus en avant dans le déroulement du projet de recherche ANR est conforme au fonctionnement ther-mique maintenant imaginé par le concept SeleCO2 de stockage massif d’électricité par doublet thermique « Géostock thermique + Stockage de glace » et CO2 caloporteur.

4 Carte géologique de la France à 1/50 000, feuille Dinan (n° 245). 5 Carte géologique de la France à 1/50 000, feuille Saint-Dié (n° 306). 6 Ce gradient expérimental est environ dix fois supérieur au gradient de chauffage ou de refroidissement dans le

géostock qui serait envisagé industriellement.



5.2.4. Résultats des essais

Les résultats des mesures mécanique (résistance à la compression uniaxiale Rc et coefficient de Poisson ν - Illustration 16) et thermophysique (conductivité thermique λ et capacité ther-mique volumique ρCp) pour les granites testés sont synthétisés dans les Illustration 17 et Illus-tration 18. Les rapports d’essais sont fournis (Ann. 3, Ann. 4 et Ann. 5).

5.3. INTERPRETATION DES RESULTATS

La résistance à la compression uniaxiale et la conductivité thermique d’éprouvettes de granite mesurée à l’issue du cyclage thermique entre les températures de 30°C et 140°C sur des du-rées de plusieurs centaines de cycles montrent des valeurs variant avec une amplitude de 10-15%. Aucune relation d’interdépendance entre les paramètres mécaniques et thermophysiques mesurés et le nombre de cycles thermiques subis par l’éprouvette ne se manifeste clairement à l’examen des résultats des essais (Illustration 19 et Illustration 20). Dans l’hypothèse de l’existence d’une éventuelle relation d’interdépendance, la variabilité expliquée resterait a priori très inférieure à la variabilité des paramètres mentionnés entre éprouvettes du lot d’essais or-ganisé par le projet.

Le cyclage thermique semble avoir systématiquement augmenté la porosité, qui est le seul pa-ramètre dont le plan d’expérience fournit une valeur avant et après cyclage thermique de l’éprouvette. De nouveau cependant, aucune relation simple ne peut être montrée entre cette augmentation de la porosité mesurée et le nombre de cycles subis. Cet accroissement de la porosité pourrait d’ailleurs être presque totalement expliqué par la variabilité de l’acquisition expérimentale, variabilité dont on possède une appréciation avec les mesures de porosité qui se sont retrouvées répétées deux fois sur les échantillons ayant subi zéro cycle thermique.

Finalement, la température maximale de 140°C subie par les éprouvettes reste une contrainte modérée pour un granite. R. Houpert a montré qu’à ce niveau de température la résistance à la compression d’un granite sous température n’est réduite que de 10% (Illustration 21). Il n’est donc pas surprenant qu’aucune relation d’interdépendance entre les paramètres mécaniques et thermophysiques mesurés et le nombre de cycles thermiques n’apparaisse dans les conditions de l’expérience.

Cette situation est de nature à conforter le concept du projet SeleCO2, qui peut considérer que les conditions d’opération du stockage thermique diffusif qu’il imagine pour le pôle chaud du doublet jusqu’à 140°C dans un granite encaissant sain, non-fracturé et hors d’eau, ne semblent pas dégrader la résistance mécanique ou la conductivité thermique7 de ce granite. Des essais supplémentaires seront cependant requis afin de confirmer cette observation sur la base d’essais plus nombreux de cyclage thermique.

7 Pour le concept SeleCO2, la conductivité thermique du granite est la propriété physique essentielle dont il s’agit de

montrer qu’elle n’est pas diminuée par un cyclage thermique dans les conditions opérationnelles envisagées. On a vu (Illustration 6) que les contraintes exercées sur le granite encaissant lors de l’opération demeurent très infé-rieures à sa limite élastique. Une dégradation faible de la résistance mécanique du granite induite par un cyclage thermique restera en conséquence acceptable.



Illustration 16 – Essai de déformabilité uniaxiale - Eprouvette n° AL (granite de Lanhélin)

N° Nombre de cycles Avant cyclage

thermique Après cyclage

thermique

ρ [kg/m^3]

Porosité ouverte

[%]

Porosité ouverte

[%]

Rc [MPa] ν λ [W/(m·K)]

ρCp [MJ/(m^3·

K)]

AL Zéro cycle 2670 0,24 0,28 170,8 0,25 3,11 2,15

BL Chaud 100 cycles (50°C / 95°C)

2670 0,24 0,28 185,3 0,28 3,06 2,06

CL Chaud 200 cycles 2670 0,24 0,27 152,0 0,27 3,04 1,99

DL Chaud 300 cycles 2670 0,23 0,26 141,3 0,22 2,91 1,91

EL Froid 100 cycles (-10°C / -55°C)

2680 0,25 0,30 154,7 0,27 3,07 2,05

FL Froid 200 cycles 2680 0,25 0,30 180,6 0,28 3,11 1,98

GL Froid 300 cycles 2660 0,23 0,28 145,1 0,24 3,00 1,92

Illustration 17 – Caractérisation mécanique et thermophysique des éprouvettes en granite de Lanhélin

N° Nombre de cycles Avant cyclage

thermique Après cyclage

thermique

ρ [kg/m^3]

Porosité ouverte

[%]

Porosité totale [%]

Porosité totale [%]

Rc [MPa]

ν λ [W/(m·K

)]

ρCp [MJ/(m^

3·K)]

AS Zéro cycle 2698 0,50 1,11 1,19 167,8 0,17 2,71 2,05

BS Chaud 100 cycles (30°C/140°C)

2692 0,45 0,77 0,82 136,4 0,17 2,45 1,86

CS Chaud 200 cycles 2690 0,43 0,76 0,93 168,1 0,13 2,70 1,91

DS Chaud 300 cycles 2690 0,45 0,72 0,82 158,9 0,18 2,49 1,88

ES Chaud 400 cycles 2687 0,60 0,69 0,74 151,1 0,15 2,44 1,82

FS Chaud 500 cycles 2687 0,46 0,60 0,71 159,0 0,15 2,69 1,96

GS Chaud 600 cycles 2687 0,49 0,58 0,67 157,1 0,15 2,80 1,94

Illustration 18 – Caractérisation mécanique et thermophysique des éprouvettes en granite de Sénones



Illustration 19 – Résistance à la compression axiale en fonction du nombre de cycles thermiques

Illustration 20 – Conductivité thermique en fonction du nombre de cycles thermiques



Illustration 21 – Courbes contrainte-déformation du granite de Sénones sous température - έ = 10-5 s-1

(R. Houpert & al.)



6. Conclusion

L’étude du comportement thermomécanique de l’échangeur géothermique et de l’encaissant a porté sur quatre aspects : (a) Modélisation du comportement géomécanique du géostock, (b) Conception de l’échangeur géothermique haute-température haute-pression, (c) Détermination du coefficient de frottement d’une sangle aramide comme élément de l’échangeur géothermique, et (d) Caractérisation mécanique et thermophysique des granites soumis à un cyclage thermique.

L’étude du comportement thermomécanique de l’échangeur géothermique et de l’encaissant est ici entendue comme l’étude du comportement mécanique du granite avec un volet sur l’évolution de certaines de ses propriétés avec la température. Il s’agit d’une première approche du comportement mécanique prévisionnel d’un géostock soumis à un cyclage thermique dans les conditions opérationnelles prévues par le concept SeleCO2.

Les travaux réalisés montrent le caractère réaliste du concept SeleCO2 pour son volet en rela-tion avec le massif rocheux. En négligeant les effets d’une dilatation différentielle sous une sol-licitation thermiquement zonée, la modélisation du comportement géomécanique du géostock laisse prévoir un niveau de contrainte restant clairement dans le domaine élastique du granite encaissant, et une déformation relative de l’ordre de 10-4 très faible donc au sein du géostock. Le concept d’un échangeur géothermique coaxial en élastomère de silicone devrait permettre de lever le verrou technologique du couplage thermique à une température supérieure à 100°C entre la paroi de l’échangeur et le massif rocheux encaissant ; ce verrou technologique avait été identifié dans le document scientifique du projet. Les coefficients de frottement expérimentaux pour une sangle aramide comprimée entre une membrane d’élastomère de silicone et une paroi de granite brute de sciage valident la solution technologique du harnais de contention autoblo-quant pour la face supérieure de l’échangeur géothermique, et permettent d’estimer la largeur totale de sangles devant composer le harnais de contention. Finalement, la résistance à la compression uniaxiale et la conductivité thermique d’éprouvettes de granite n’apparaissent pas être modifiées de façon appréciable par un cyclage thermique de ces éprouvettes entre les températures extrêmes prévues par le projet, et cela sur des durées de plusieurs centaines de cycles ; avec l’hypothèse que le comportement observé sur les échantillons se retrouve au ni-veau du massif granitique mis en œuvre (i.e., pas de fissuration pluri-métrique dans le granite du site, homogénéité minéralogique et pas ou peu d’inclusions à l’échelle du géostock, etc.), cette situation est de nature à conforter le concept SeleCO2 qui peut considérer que les condi-tions d’opération du stockage thermique diffusif qu’il imagine pour le pôle chaud du doublet dans un granite encaissant sain, non-fracturé et hors d’eau, ne semblent pas dégrader la résis-tance mécanique ou la conductivité thermique de ce granite.

Des travaux de recherche ultérieurs qui seraient conduits dans le cadre de la promotion du concept SeleCO2 sur le comportement thermomécanique de l’échangeur géothermique et de l’encaissant pourraient porter sur les points suivants : (a) Multiplication des tests de cyclage thermique sur éprouvettes entre les températures de 30°C et 140°C, afin de disposer d’une base statistique plus large pour en tirer une confirmation sur l’absence d’incidence du cyclage thermique sur la conductivité thermique du granite ; (b) Fabrication d’un prototype d’échangeur géothermique coaxial en élastomère de silicone, pour démontrer la faisabilité industrielle de sa conception.



7. Bibliographie

Berest P., Charpentier J. P., Habib P. – Étude du comportement mécanique d’un granite sous contrainte et température élevées. CEA-IPSN-DPT (1985) – Rapport EUR 9572 FR

Houpert R., Homand-Etienne F. – Comportement mécanique des roches en fonction de la température. Revue française de géotechnique 28 (1984) 41-47

Nguyen D., Davarzani H. (2014) – Projet SeleCO2 – Rapport d'avancement semestriel de jan-vier à juin 2014 - Rap. BRGM/RP-63746-FR, 29 p., 4 ill., 3 ann.

Nguyen D., Davarzani H. (2015) – Projet SeleCO2 – Rapport d'avancement de juillet 2014 à juin 2015 - Rap. BRGM/RP-64215-FR, 51 p., 35 ill., 3 ann. (annexe 3 sur CD-ROM)

Nguyen D., Lesueur H., Davarzani H. (2016) – Projet SeleCO2 – Rapport d'avancement de juillet 2015 à juin 2016 - Rap. BRGM/RP-65858-FR, 61 p., 41 ill., 5 ann. (annexe 5 sur CD-ROM)

Nguyen D., Macchi E.G., Colin C., Tauveron N., Tartière T. (2017) – Bedrock-hosted diffusive hot storage for large-scale thermo-electric energy storage by thermal doublet – Paper n° 274 EUROCK 2017

Robertson E. C. – Thermal properties of rocks. US Geological Survey (1988). Open-File Report 88-441



Annexe 1 – Bedrock-hosted diffusive hot storage for large-scale thermo-electric energy storage by thermal

doublet – Publication EUROCK 2017



Annexe 2 – Document scientifique du projet SeleCO2



Annexe 3 – Rapport d’essais géomécaniques sur échantillons Lanhélin (ANTEA)





Rapport final

Document public à

accès réservé




Annexe 4 – Rapport d’essais géomécaniques sur échantillons Sénones (EPFL)

BRGM

DAT/GIR ME/BRGM LRO

1039 Rue de Pinville

34000 MONTPELLIER CEDEX 3

FRANCE

V/réf. N/réf. Lausanne, le 11 février 2016 R0914 Essais de compression uniaxiale, porosité et masse volumique apparente _______________________________________________________________________ Monsieur, Nous vous transmettons en annexe les résultats des mesures de masses volumique apparente ainsi que des porosités totales par saturation d’eau que nous avons effectués sur les échantillons que vous nous avez remis le 1er février 2015. Les essais de compression uniaxiale seront effectués dans une deuxième étape de l’étude, selon votre demande, sur des échantillons choisis pas vos soins.

1. Mesure des masses volumiques réelle et apparente et des porosités ouverte et totale

La mesure a été effectuée sur la base de la norme Européenne NF EN 1936 :2007-05 sur 11 éprouvettes de granite de forme cylindrique. La mesure de la masse volumique réelle a été effectuée par méthode au pycnomètre sur un morceau d’éprouvette préalablement scié et broyé. A chaque pesée, la température de l’air ambiante et de l’eau est de 21°C, ce qui implique une valeur de masse volumique de l’eau ρrh égal à 997.994 kg/m3. Les résultats de ces essais sont résumés dans le tableau 1 et présentés à l’annexe 1.

ENVIRONNEMENT NATUREL ARCHITECTURAL ET CONSTRUIT (ENAC) Institut d’Ingénierie Civile (IIC) LABORATOIRE EXPERIMENTAL DE MECANIQUE DES ROCHES (LEMR)

EPFL ENAC-IIC-LEMR GC C1 413 (Bâtiment GC) Station 18 CH 1015 Lausanne

Téléphone : Fax : Site web :

+4121 693 23 72 +4121 693 41 53 http://lmr.epfl.ch/

EPFL – Laboratoire expérimental de mécanique des roches Page 2 sur 2 R0914-Rapp.doc

Eprouvette Nature de Haut Diam ρb ρr po p la roche [mm] [mm] [kg*m-3] [kg*m-3] [%] [%]

1 Granite 146.8 52.0 2672 2687 0.49 0.58

2 Granite 146.8 52.1 2671 2687 0.46 0.60

3 Granite 146.8 52.1 2671 2692 0.45 0.77

4 Granite 146.7 52.1 2668 2698 0.50 1.11

5 Granite 146.8 52.0 2667 2699 0.50 1.19

6 Granite 146.9 52.0 2670 2690 0.43 0.76

7 Granite 143.0 52.0 2669 2687 0.60 0.69

8 Granite 147.0 52.0 2670 2710 0.47 1.48

9 Granite 147.0 52.1 2670 2709 0.48 1.44

10 Granite 146.7 52.1 2671 2709 0.42 1.39

11 Granite 146.7 52.1 2671 2690 0.45 0.72 ρb = masse volumique apparente (Archimède) ρr = masse volumique réelle (pycnomètre) po = porosité ouverte p = porosité totale

Tableau 1: Résultats des essais de masse volumique et porosité

Commentaires : o A cause des irrégularités géométriques des éprouvettes, la mesure de la masse volumique

apparente ρb prise comme valeur de référence pour le calcul de la porosité totale p correspond à la masse volumique apparente mesurée par la méthode d’Archimède. La valeur de masse volumique apparente calculée par méthode géométrique figure dans l’annexe 1.

o Les valeurs de porosité ouverte obtenues pour les différentes éprouvettes sont homogènes et restent dans l’ordre de 0.5 %, ceci est dû à la nature de la roche testée (les pores ouverts restent très limités et souvent confinés aux interfaces entre les différents minéraux).

o Les valeurs de porosité totale obtenues sont légèrement supérieures aux valeurs de porosités ouvertes et restent compris entre 0.6 et 1.5 %.

o L’éprouvette no. 8 montre la différence entre la porosité ouverte et celle totale la plus importante (p – p0 = 1%). L’éprouvette no. 1 montre, par contre, une variation minime inférieure à 0.1%, c. à d. dans l’ordre de grandeur de la précision de la valeur même.

Nous restons à votre disposition pour tout renseignement complémentaire que vous pourriez souhaiter et vous prions d'agréer, Monsieur, l'expression de nos sentiments les meilleurs.

La Professeure responsable L’ingénieure chargée de l’étude

Rapport d’essais

No étude : R0914 Titre de l'étude : Essais de compression uniaxiale, porosité et masse

volumique apparente Commettant : BRGM – Languedoc - Roussillon Date du rapport : 11 février 2016 Selon vos commandes du : 1 février 2016 Résultats complets / partiels : complets (seuls essais porosité) Remplace et annule rapport du : Protocoles annexés :

No éprouvette Essai N° du protocole Nbre pages du protocole

(1)

R0914 - de 1 à 11 Mesure des masses volumiques réelle et apparente et des porosités ouverte et totale

1

1

E

(1) Un E signifie que l’essai est exécuté selon les normes et modes opératoires des LEMR+S La professeure responsable L'ingénieure chargée de l'étude

Les protocoles annexés ne peuvent être reproduits partiellement qu'avec notre accord écrit. Dans les notes de calcul ou documents de dimensionnement, la provenance des paramètres géotechniques résultant des essais doit être signalée. Le solde des échantillons que vous nous avez remis sera conservé deux mois; après ce délai et à moins que cela n'ait été convenu autrement, il sera détruit. Si nécessaire, les domaines d’incertitude des résultats donnés sur les protocoles annexés peuvent être fournis sur demande.




+4121 693 23 72 +4121 693 41 53 http://lemr.epfl.ch/

Date Dateréception essai signature01.02.16 11.02.16

EprouvetteNature de la

roche

Masse éprouvette

sèche

Masse éprouvette immergée sous eau

Masse éprouvette saturée

Densité de l'eau à 21°C

Masse volumique apparente , Archimède

Masse volumique apparente , mesure

géométrique

Masse volumique

réelle

Volume des pores ouverts

Volume apparent

Porosité ouverte

Porosité totale

(Archimède)

Porosité totale (géométrique)

md mh ms rh b b géo r V0 Vb po p p géog g g kg/m3 kg/m3 kg/m3 kg/m3 mm3 mm3 % % %

1 Granite 830.05 521.48 831.56 997.994 2672 2662 2687 1.5 310.7 0.49 0.58 0.932 Granite 833.68 523.6 835.1 997.994 2671 2674 2687 1.4 312.1 0.46 0.60 0.483 Granite 835.34 524.67 836.75 997.994 2671 2669 2692 1.4 312.7 0.45 0.77 0.854 Granite 833.32 523.15 834.87 997.994 2668 2665 2698 1.6 312.3 0.50 1.11 1.225 Granite 831 521.6 832.57 997.994 2667 2665 2699 1.6 311.6 0.50 1.19 1.266 Granite 830.39 521.31 831.74 997.994 2670 2662 2690 1.4 311.1 0.43 0.76 1.047 Granite 807.48 507.31 809.29 997.994 2669 2661 2687 1.8 302.6 0.60 0.69 0.978 Granite 833.14 523.2 834.61 997.994 2670 2669 2710 1.5 312.0 0.47 1.48 1.519 Granite 833.24 523.29 834.73 997.994 2670 2659 2709 1.5 312.1 0.48 1.44 1.8510 Granite 834.86 524.27 836.18 997.994 2671 2669 2709 1.3 312.5 0.42 1.39 1.4811 Granite 833.35 523.35 834.76 997.994 2671 2665 2690 1.4 312.0 0.45 0.72 0.93

Ce protocole ne peut être reproduit partiellement et son contenu ne concerne que l'échantillon testé Page 1/1R0914‐Porosité.xls

N°

Ingénieur responsable Opérateurprélevé par nom

COMMETTANT HUMIDITEE CONTROLEE F. SANDRONE BF + LG

No étude Titre de l'étude Commettantnom adresse

R0914 Essais de porosité et masse volumique apparente BRGM FranceEchantillon

Mode de conservation

BRGM

DAT/GIR ME/BRGM LRO

1039 Rue de Pinville

34000 MONTPELLIER CEDEX 3

FRANCE

V/réf. N/réf. Lausanne, le 12 septembre 2016 R0914 Essais de compression uniaxiale, porosité et masse volumique apparente _______________________________________________________________________ Monsieur, Nous vous transmettons en annexe les résultats des mesures de masses volumique apparente ainsi que des porosités totales par saturation d’eau et des essais de compression uniaxiale que nous avons effectués sur les 7 échantillons que nous avons reçus le 19 août 2016. Ces essais ont étés exécutés sur des échantillons qui avaient déjà fait l’objet de mesures précédentes (voir rapport du 11 février 2016) et ayant subis un traitement thermique (exécuté par Thermoconcept). La numérotation des échantillons reste inchangée par rapport au rapport précédent.

1. Mesure des masses volumiques réelle et apparente et des porosités ouverte et totale

La mesure a été effectuée sur la base de la norme Européenne NF EN 1936 :2007-05 sur 11 éprouvettes de granite de forme cylindrique. La mesure de la masse volumique réelle a été effectuée par méthode au pycnomètre sur un morceau d’éprouvette préalablement scié et broyé. A chaque pesée, la température de l’air ambiante et de l’eau est de 25°C, ce qui implique une valeur de masse volumique de l’eau ρrh égal à 997.047 kg/m3. Les résultats de ces essais sont résumés dans le tableau 1 et présentés à l’annexe 1.




+4121 693 23 72 +4121 693 41 53 http://lmr.epfl.ch/

EPFL – Laboratoire expérimental de mécanique des roches Page 2 sur 4 R0914-Rapp_final.doc

Eprouvette Nature de Haut Diam ρb ρr po p la roche [mm] [mm] [kg*m-3] [kg*m-3] [%] [%]

1 Granite 99.5 51.9 2669 2687 0.49 0.67

2 Granite 100.0 52.0 2668 2687 0.52 0.71

3 Granite 99.6 52.1 2670 2692 0.54 0.82

4 Granite 99.6 52.1 2666 2698 0.56 1.19

6 Granite 99.8 52.0 2665 2690 0.50 0.93

7 Granite 95.7 52.0 2667 2687 0.69 0.74

11 Granite 100.0 52.1 2668 2690 0.55 0.82 ρb = masse volumique apparente (Archimède) ρr = masse volumique réelle (pycnomètre) po = porosité ouverte p = porosité totale

Tableau 1: Résultats des essais de masse volumique et porosité

Commentaires : o A cause des irrégularités géométriques des éprouvettes, la mesure de la masse volumique

apparente ρb prise comme valeur de référence pour le calcul de la porosité totale p correspond à la masse volumique apparente mesurée par la méthode d’Archimède. La valeur de masse volumique apparente calculée par méthode géométrique figure dans l’annexe 1.

o Les valeurs de porosité ouverte obtenues pour les différentes éprouvettes sont homogènes et restent dans l’ordre de 0.5 % (seul l’échantillon N°7 dépasse cette valeur d’environ 0.2%), ceci est dû à la nature de la roche testée (les pores ouverts restent très limités et souvent confinés aux interfaces entre les différents minéraux). Cependant on observe une légère augmentation de ces valeurs par rapport aux mesures exécutées en février (différence entre 0.06 % et 0.1%). Seul l’échantillon N° 1 ne montre pas de changement de porosité ouverte par rapport aux mesures exécutées en février.

o Les valeurs de porosité totale obtenues sont légèrement supérieures aux valeurs de porosités ouvertes et restent comprises entre 0.7 et 1.2 %. Ces valeurs sont également supérieures aux valeurs obtenues lors des mesures exécutées en février (différence entre 0.05% et 0.16%). La porosité totale augmente pour tous les échantillons.

o L’éprouvette N°4 montre la différence entre la porosité ouverte et celle totale la plus importante (p – p0 = 0.62%). L’éprouvette N°7 montre, par contre, une variation minime inférieure à 0.1%, c. à d. dans l’ordre de grandeur de la précision de la valeur même.

EPFL – Laboratoire expérimental de mécanique des roches Page 3 sur 4 R0914-Rapp_final.doc

2. Essais de compression uniaxiale Les essais de compression uniaxiale ont été effectués sur des éprouvettes d’élancement d’environ 2, avec asservissement de la vitesse de déformation à une valeur de 0,1 mm/min jusqu’à la rupture. Pendant l’essai la déformation axiale a été mesurée à l’aide de 2 capteurs LVDT placés entre les plateaux de la presse ; la déformation diamétrale a été mesurée au moyen d’une chaîne extensométrique. Les valeurs du module de déformation E et du coefficient de Poisson ν ont été calculées pour une contrainte correspondant à 50 % de la contrainte de rupture. Les résultats de ces essais sont résumés dans le tableau 2 et présentés graphiquement aux annexes 2 à 8. Le tableau 3 résume les valeurs moyennes des différents paramètres.

Echantillon Nature de Haut Diam ρ σc ν E50%a la roche [mm] [mm] [tm-3] [MPa] [-] [MPa]

R0914-1 Granite 98.6 51.9 2.67 157.1 0.15 43500

R0914-2 Granite 98.7 52.0 2.67 159.0 0.15 42000

R0914-3 Granite 98.6 52.1 2.67 136.4 0.17 43000

R0914-4 Granite 98.9 52.1 2.68 167.8 0.17 43500

R0914-6 Granite 98.6 52.0 2.66 168.1 0.13 46500

R0914-7 Granite 94.7 52.0 2.67 151.1 0.15 43500

R0914-11 Granite 98.9 52.1 2.66 158.9 0.18 44500 ρ = masse volumique apparente w = teneur en eau σc = résistance à la compression uniaxiale E50%a= module E à 50% de la contrainte de rupture (charge)

Tableau 2: Résultats des essais de compression uniaxiale

Nature de Nbre ρ σc E50% ν la roche essais [tm-3] [MPa] [MPa]

Granite 7 2.67±0.01 159.9±10.9 43786±1410 0.16±0.02

Tableau 3: Valeurs moyennes des paramètres ± 1 écart-type

EPFL – Laboratoire expérimental de mécanique des roches Page 4 sur 4 R0914-Rapp_final.doc Commentaires :

o Compte tenu de l’élancement insuffisant des éprouvettes la valeur de résistance a été corrigée à l’aide de la formule [ ]( )hd

cccor /24,088,0 ⋅+

=σ

σ

o Les échantillons montrent un comportement assez homogène. La valeur maximale de résistance est obtenue pour l’échantillon R0914-6 avec 168.1 MPa tandis que l’échantillon R0914-3 montre la valeur la plus faible avec 136.4 MPa.

o A cause du rectifiage des échantillons avant les essais de compression simples les valeurs mesurées des densités géométriques sont légèrement différentes par rapport aux valeurs montrées dans l’annexe 1.

Nous restons à votre disposition pour tout renseignement complémentaire que vous pourriez souhaiter et vous prions d'agréer, Monsieur, l'expression de nos sentiments les meilleurs.

La Professeure responsable L’ingénieure chargée de l’étude

Dr Marie Violay Dr Federica Sandrone

Rapport d’essais

No étude : R0914 Titre de l'étude : Essais de compression uniaxiale, porosité et masse

volumique apparente Commettant : BRGM – Languedoc - Roussillon Date du rapport : 12 septembre 2016 Selon vos commandes du : 1 février et 19 août 2016 Résultats complets / partiels : complets (essais porosité et UCS après traitement) Complète le rapport du 11 février 2016 Protocoles annexés :

No éprouvette Essai N° du protocole Nbre pages du protocole

(1)

R0914 – 1,2,3,4,6,7,11 R0914-1 R0914-2 R0914-3 R0914-4 R0914-6 R0914-7 R0914-11

Mesure des masses volumiques réelle et apparente et des porosités ouverte et totale Essai de compression uniaxiale Essai de compression uniaxiale Essai de compression uniaxiale Essai de compression uniaxiale Essai de compression uniaxiale Essai de compression uniaxiale Essai de compression uniaxiale Photos avant et après essai de compression

1

2 3 4 5 6 7 8

1

1 1 1 1 1 1 1

4

E

E E E E E E E

(1) Un E signifie que l’essai est exécuté selon les normes et modes opératoires des LEMR+S La professeure responsable L'ingénieure chargée de l'étude

Dr Marie Violay Dr Federica Sandrone Les protocoles annexés ne peuvent être reproduits partiellement qu'avec notre accord écrit. Dans les notes de calcul ou documents de dimensionnement, la provenance des paramètres géotechniques résultant des essais doit être signalée. Le solde des échantillons que vous nous avez remis sera conservé deux mois; après ce délai et à moins que cela n'ait été convenu autrement, il sera détruit. Si nécessaire, les domaines d’incertitude des résultats donnés sur les protocoles annexés peuvent être fournis sur demande.




+4121 693 23 72 +4121 693 41 53 http://lemr.epfl.ch/

Date Dateréception essai signature19.08.16 26.08.16

EprouvetteNature de la

roche

Masse éprouvette

sèche

Masse éprouvette immergée sous eau

Masse éprouvette saturée

Densité de l'eau à 25°C

Masse volumique apparente , Archimède

Masse volumique apparente , mesure

géométrique

Masse volumique

réelle

Volume des pores ouverts

Volume apparent

Porosité ouverte

Porosité totale

(Archimède)

Porosité totale (géométrique)

md mh ms rh b b géo r V0 Vb po p p géog g g kg/m3 kg/m3 kg/m3 kg/m3 mm3 mm3 % % %

1 Granite 561.14 352.54 562.17 997.047 2669 2666 2687 1.0 210.3 0.49 0.67 0.782 Granite 566.77 356.08 567.88 997.047 2668 2669 2687 1.1 212.4 0.52 0.71 0.673 Granite 565.68 355.60 566.81 997.047 2670 2664 2692 1.1 211.8 0.54 0.82 1.044 Granite 565.24 355.04 566.43 997.047 2666 2662 2698 1.2 212.0 0.56 1.19 1.336 Granite 562.28 352.96 563.34 997.047 2665 2653 2690 1.1 211.0 0.50 0.93 1.387 Granite 540.05 339.51 541.44 997.047 2667 2657 2687 1.4 202.5 0.69 0.74 1.1211 Granite 565.14 354.92 566.31 997.047 2668 2651 2690 1.2 212.0 0.55 0.82 1.45

Ce protocole ne peut être reproduit partiellement et son contenu ne concerne que l'échantillon testé Page 1/1R0914‐Porosité.xls

R0914 Essais de porosité et masse volumique apparente BRGM FranceEchantillon

Mode de conservation

No étude Titre de l'étude Commettantnom adresse

N°

Ingénieur responsable Opérateurprélevé par nom

COMMETTANT HUMIDITEE CONTROLEE F. SANDRONE LG

R0914-1.xlsx

nom adresse

Date Dateréception essai

- 19.08.16 31.08.16Opérat.

Observations:Le rapport L/D de cet échantillon n'est pas conforme à la norme SN670 353aEn pointillé la courbe corrigée

Ce protocole ne peut être reproduit partiellement et son contenu ne concerne que l'éprouvette testée Page 1/1En outre, il fait partie d'une série d'essais, voir page "Rapport d'essais" ER.520 11/15

- GRANITE

No échantillon

- 0.1551.9ν

BF

Haut. [mm] Ø [mm] ρ [t/m3] w [%] σc [MN/m2]

Titre de l'étude

98.6 2.67 - 157.1 43500

N° de sondage Profondeur {m} Nature échantillon

Mode préparation échantillon Mode de conservation Echantillon

prélevé parIngénieur responsable

nom signature

R0914-1

LABORATOIRE EXPERIMENTAL DE MECANIQUE DES ROCHES

COMPRESSION UNIAXIALEExécuté selon la norme SN 670 353 et LMS+R ER.520

Mandataire

Ep50% [MN/m2] Erecharge [MN/m2]

SCIE, RECTIFIE NATUREL COMMETTANT F. SANDRONE

ESSAIS DE COMPRESSION UNIAXIALE FranceBRGMR0914

No de l'étude

0

50

100

150

200

-4.0E-03 -2.0E-03 0.0E+00 2.0E-03 4.0E-03 6.0E-03

Con

trai

nte

[MN

/m2 ]

Déformation ε1 Déformation ε3

nom adresse


- 19.08.16 31.08.16Opérat.





Mandataire




No de l'étude Titre de l'étude

98.7 2.67 - 159.0 42000




nom signature

R0914-2 - GRANITE

No échantillon

- 0.1552.0

BF

Haut. [mm] Ø [mm] [t/m3] w [%] c [MN/m2]

0

50

100

150

200

-4.0E-03 -2.0E-03 0.0E+00 2.0E-03 4.0E-03 6.0E-03

Con

trai

nte

[MN

/m2 ]

Déformation 1Déformation 3

R0914-2.xlsx

nom adresse


- 19.08.16 31.08.16Opérat.





Mandataire





98.6 2.67 - 136.4 43000




nom signature

R0914-3 - GRANITE

No échantillon

- 0.1752.1

BF


0

50

100

150

-4.0E-03 -2.0E-03 0.0E+00 2.0E-03 4.0E-03 6.0E-03

Con

trai

nte

[MN

/m2 ]


R0914-3.xlsx

nom adresse


- 19.08.16 31.08.16Opérat.





Mandataire





98.9 2.68 - 167.8 43500




nom signature

R0914-4 - GRANITE

No échantillon

- 0.1752.1

BF


0

50

100

150

200

-4.0E-03 -2.0E-03 0.0E+00 2.0E-03 4.0E-03 6.0E-03

Con

trai

nte

[MN

/m2 ]


R0914-4.xlsx

nom adresse


- 19.08.16 31.08.16Opérat.



- GRANITE

No échantillon

- 0.1352.0

BF


Titre de l'étude

98.6 2.66 - 168.1 46500




nom signature

R0914-6



Mandataire




No de l'étude

0

50

100

150

200

-4.0E-03 -2.0E-03 0.0E+00 2.0E-03 4.0E-03 6.0E-03

Con

trai

nte

[MN

/m2 ]


R0914-6.xlsx

nom adresse


- 19.08.16 31.08.16Opérat.





Mandataire





94.7 2.67 - 151.1 43500




nom signature

R0914-7 - GRANITE

No échantillon

- 0.1552.0

BF


0

50

100

150

200

-4.0E-03 -2.0E-03 0.0E+00 2.0E-03 4.0E-03 6.0E-03

Con

trai

nte

[MN

/m2 ]


R0914-7.xlsx

nom adresse


- 19.08.16 31.08.16Opérat.





Mandataire





98.9 2.66 - 158.9 44500




nom signature

R0914-11 - GRANITE

No échantillon

- 0.1852.1

BF


0

50

100

150

200

-4.0E-03 -2.0E-03 0.0E+00 2.0E-03 4.0E-03 6.0E-03

Con

trai

nte

[MN

/m2 ]


R0914-11.xlsx

R0914-Photos.doc/ page 1/4

R0914-1_avant R0914-1_après


Photos des éprouvettes avant et après les essais de compression uniaxiale





Rapport final

Document public à

accès réservé




Annexe 5 – Rapport d’essais thermophysiques sur échantillons Lanhélin et Sénones (Thermoconcept)

THERMOCONCEPT

25, rue Marcel Issartier

Bât. Aero Business Center,

Bureau 12, RdC

33 700 MERIGNAC

Tél : 05 47 74 62 12

Fax : 05 47 74 62 13

Mél : [email protected]

http://www.thermoconcept-sarl.com

SIRET 480 595 453 00022 - Code APE 332 B – TVA FR 02 480 595 453

Bulletin d’analyses n°013 du 13 Mai 2014 Détermination de la Conductivité thermique, de la

Diffusivité thermique et de la Capacité thermique de carottes de Granit

Nb Pages : 6

Dt Nb pages Annexes :

0

Destinataire : Monsieur Denis Nguyen

Société : BRGM

1039, Rue de Pinville 34000 MONTPELLIER

V / Référence : Commande 2014 – 157875 / 0

N / Référence : BA/0073/013-0514/SS

Devis 104-0114 BRGM Prestations

Date de réception des échantillons : 17/03/2014

Date de réalisation des analyses : Du 28/04/2014 au 09/05/2014

Date d’émission du BA : 13/05/2014

Visa opérateur : Visa Opérateur : Responsable Service Analyses :

Alexandre RENAULT Richard HUILLERY

Ce Bulletin d’Analyses atteste des caractéristiques des échantillons soumis

aux essais mais ne préjuge pas des caractéristiques de produits similaires.

Il ne constitue donc pas une certification au sens de la Loi du 3 juin 1994.

La reproduction de ce rapport n’est autorisée que sous la forme d’un fac similé photographique intégral

mailto:[email protected]

http://www.thermoconcept-sarl.com/

THERMOCONCEPT

Bulletin d’analyses n°013 BA/0073/013-0514/SS

Page 2/6


I. ECHANTILLONS

Référence client Référence

THERMOCONCEPT Nature

1 THC/0073/170314.1387 Granit

2 THC/0073/170314.1388 Granit

6 THC/0073/170314.1389 Granit

8 THC/0073/170314.1390 Granit

9 THC/0073/170314.1391 Granit

10 THC/0073/170314.1392 Granit

12 THC/0073/170314.1393 Granit

II. TECHNIQUE D’ANALYSES

Technique employée : HOT DISK STANDARD

Norme employée : NI ISO 22007-2 :2008-12 Plastiques - Détermination de la conductivité

thermique et de la diffusivité thermique - Méthode de la source plane transitoire (disque

chaud)

Conditions opératoires :

Appareillage : Hot Disk TPS 2500 + module logiciel STANDARD

Référence des sondes :

Kapton 5501 (6.403 mm de rayon)

Températures de mesure :

Ambiante

III. ANNEXES

THERMOCONCEPT


Page 3/6


IV. RESULTATS

Echantillon 1

Le tableau ci-dessous rassemble les valeurs obtenues sur l’échantillon référencé : λ représente la

conductivité thermique et est exprimée en W.m-1

.K-1

, a représente la diffusivité thermique et est exprimée

en mm2.s

-1 et Cp représente la capacité thermique et est exprimée en MJ.K

-1.m

-3.

Granit 1

Conditions de l’expérience λ

(W.m-1

.K-1

)

a

(mm2.s

-1)

Cp (MJ.K

-1.m

-3) Température

(°C)

Puissance

(W)

Temps de

mesure (s)

Rayon de

sonde (mm)

22.5 0.4 20 6.403 2.905 1.524 1.906

22.5 0.4 20 6.403 2.913 1.518 1.919

22.5 0.4 20 6.403 2.907 1.522 1.910

Moyenne 2.91 1.52 1.91

Ecart type relatif 0.1% 0.2% 0.3%

Echantillon 2



.K-1


en mm2.s


-1.m

-3.

Granit 2


(W.m-1

.K-1

)

a

(mm2.s

-1)

Cp (MJ.K

-1.m

-3) Température

(°C)

Puissance

(W)

Temps de

mesure (s)

Rayon de

sonde (mm)

22.5 0.4 20 6.403 3.109 1.452 2.142

22.5 0.4 20 6.403 3.117 1.451 2.149

22.5 0.4 20 6.403 3.116 1.444 2.158

Moyenne 3.11 1.45 2.15


THERMOCONCEPT


Page 4/6


Echantillon 6



.K-1


en mm2.s


-1.m

-3.

Granit 6


(W.m-1

.K-1

)

a

(mm2.s

-1)

Cp (MJ.K

-1.m

-3) Température

(°C)

Puissance

(W)

Temps de

mesure (s)

Rayon de

sonde (mm)

22.5 0.4 20 6.403 3.002 1.558 1.928

22.5 0.4 20 6.403 3.003 1.561 1.924

22.5 0.4 20 6.403 2.999 1.570 1.911

Moyenne 3.00 1.56 1.92


Echantillon 8



.K-1


en mm2.s


-1.m

-3.

Granit 8


(W.m-1

.K-1

)

a

(mm2.s

-1)

Cp (MJ.K

-1.m

-3) Température

(°C)

Puissance

(W)

Temps de

mesure (s)

Rayon de

sonde (mm)

22.5 0.4 20 6.403 3.045 1.530 1.990

22.5 0.4 20 6.403 3.026 1.539 1.966

22.5 0.4 20 6.403 3.043 1.520 2.002

Moyenne 3.04 1.53 1.99


THERMOCONCEPT


Page 5/6


Echantillon 9



.K-1


en mm2.s


-1.m

-3.

Granit 9


(W.m-1

.K-1

)

a

(mm2.s

-1)

Cp (MJ.K

-1.m

-3) Température

(°C)

Puissance

(W)

Temps de

mesure (s)

Rayon de

sonde (mm)

21.0 0.4 20 6.403 3.106 1.559 1.992

21.0 0.4 20 6.403 3.108 1.574 1.975

21.0 0.4 20 6.403 3.122 1.578 1.978

Moyenne 3.11 1.57 1.98


Echantillon 10



.K-1


en mm2.s


-1.m

-3.

Granit 10


(W.m-1

.K-1

)

a

(mm2.s

-1)

Cp (MJ.K

-1.m

-3) Température

(°C)

Puissance

(W)

Temps de

mesure (s)

Rayon de

sonde (mm)

22.5 0.4 20 6.403 3.080 1.488 2.070

22.5 0.4 20 6.403 3.075 1.499 2.051

22.5 0.4 20 6.403 3.067 1.512 2.028

Moyenne 3.07 1.50 2.05


THERMOCONCEPT


Page 6/6


Echantillon 12



.K-1


en mm2.s


-1.m

-3.

Granit 12


(W.m-1

.K-1

)

a

(mm2.s

-1)

Cp (MJ.K

-1.m

-3) Température

(°C)

Puissance

(W)

Temps de

mesure (s)

Rayon de

sonde (mm)

22.5 0.4 20 6.403 3.064 1.483 2.066

22.5 0.4 20 6.403 3.058 1.479 2.068

22.5 0.4 20 6.403 3.064 1.487 2.060

Moyenne 3.06 1.48 2.06


V. BILAN DE LA PRESTATION

Voici un tableau récapitulatif des résultats des essais réalisés sur les 7 carottes :

Echantillon λ

(W.m-1

.K-1

) a

(mm2.s

-1)

Cp (MJ.K

-1.m

-3)

2 – Pas de cyclage 3.11 1.45 2.15

10 – 100 Cycles froids 3.07 1.50 2.05

9 – 200 Cycles froids 3.11 1.57 1.98

6 – 300 Cycles froids 3.00 1.56 1.92

12 – 100 Cycles chauds 3.06 1.48 2.06

8 – 200 Cycles chauds 3.04 1.53 1.99

1 – 300 Cycles chauds 2.91 1.52 1.91

THERMOCONCEPT

25, rue Marcel Issartier

Bât. Aero Business Center,

Bureau 12, RdC

33 700 MERIGNAC

Tél : 05 47 74 62 12

Fax : 05 47 74 62 13

Mél : [email protected]

http://www.thermoconcept-sarl.com

SIRET 480 595 453 00022 - Code APE 2651 B – TVA FR 02 480 595 453

Bulletin d’analyses n°033 du 22 juillet 2016 Détermination de la conductivité thermique, de la

diffusivité thermique et de la capacité thermique de carottes de granite

Nb Pages : 10

Dt Nb pages Annexes :

4

Destinataire : Denis Nguyen

Société : BRGM

1039, Rue de Pinville 34000 MONTPELLIER

V / Référence : Commande 2016 - 180095 / 0

N / Référence : BA/990073/033-0716/AR

Devis 108-0116 BRGM Prestation

Date de réception des échantillons : 29/02/2016

Date de réalisation des analyses : Du 18/07/2016 au 21/07/2016

Date d’émission du BA : 22/07/2016

Visa opérateur 1 : Visa Opérateur 2 : Responsable Service Analyses :

Alexandre RENAULT Richard HUILLERY

Ce Bulletin d’Analyses atteste des caractéristiques des échantillons soumis

aux essais mais ne préjuge pas des caractéristiques de produits similaires.

Il ne constitue donc pas une certification au sens de la Loi du 3 juin 1994.


mailto:[email protected]

http://www.thermoconcept-sarl.com/

Bulletin d’analyses n°033 BA/990073/033-0716/AR

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I. ECHANTILLONS

Référence client Référence

THERMOCONCEPT Nature Photo

Eprouvette 1 – 600 cycles THC/990073/290216.1649 Granite



Eprouvette 4 – pas de cyclage

THC/990073/290216.1652 Granite



Eprouvette 11 – 300 cycles

THC/990073/290216.1655 Granite

II. ANNEXES

Annexe 1 : Rapport de cyclage (page 7)

Annexe 2 : Présentation de la méthode Hot Disk (page 9)


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III. TECHNIQUE D’ANALYSES

Technique employée : HOT DISK STANDARD

Norme employée : NI ISO 22007-2 : 2008-12 Plastiques - Détermination de la conductivité

thermique et de la diffusivité thermique - Méthode de la source plane transitoire (disque

chaud)

Conditions opératoires :

Appareillage : Hot Disk TPS 2500 + module logiciel STANDARD

Référence des sondes :

Kapton 5501 (6.403 mm de rayon)

Températures de mesure :

Ambiante

IV. RESULTATS

Les tableaux ci-dessous rassemblent les valeurs obtenues sur les sept échantillons référencés.

λ représente la conductivité thermique et est exprimée en W.m-1

.K-1

, a représente la diffusivité thermique

et est exprimée en mm2.s


-1.m

-3.



(W.m-1

.K-1

)

a

(mm2.s

-1)

Cp (MJ.K

-1.m

-3) Température

(°C)

Puissance

(W)

Temps de

mesure (s)

Rayon de

sonde (mm)

23.1 0.4 20 6.403 2.818 1.441 1.955

23.2 0.4 20 6.403 2.799 1.447 1.935

23.0 0.4 20 6.403 2.795 1.439 1.943

Moyenne 2.80 1.44 1.94



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(W.m-1

.K-1

)

a

(mm2.s

-1)

Cp (MJ.K

-1.m

-3) Température

(°C)

Puissance

(W)

Temps de

mesure (s)

Rayon de

sonde (mm)

23.2 0.4 20 6.403 2.696 1.384 1.948

23.5 0.4 20 6.403 2.681 1.373 1.953

23.4 0.4 20 6.403 2.685 1.365 1.967

Moyenne 2.69 1.37 1.96




(W.m-1

.K-1

)

a

(mm2.s

-1)

Cp (MJ.K

-1.m

-3) Température

(°C)

Puissance

(W)

Temps de

mesure (s)

Rayon de

sonde (mm)

24.8 0.4 20 6.403 2.454 1.315 1.866

24.8 0.4 20 6.403 2.459 1.315 1.870

24.8 0.4 20 6.403 2.448 1.331 1.839

Moyenne 2.45 1.32 1.86


Eprouvette 4 – pas de cyclage


(W.m-1

.K-1

)

a

(mm2.s

-1)

Cp (MJ.K

-1.m

-3) Température

(°C)

Puissance

(W)

Temps de

mesure (s)

Rayon de

sonde (mm)

24.6 0.4 20 6.403 2.715 1.324 2.050

24.5 0.4 20 6.403 2.713 1.318 2.059

24.5 0.4 20 6.403 2.711 1.323 2.048

Moyenne 2.71 1.32 2.05



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(W.m-1

.K-1

)

a

(mm2.s

-1)

Cp (MJ.K

-1.m

-3) Température

(°C)

Puissance

(W)

Temps de

mesure (s)

Rayon de

sonde (mm)

21.0 0.4 20 6.403 2.690 1.415 1.901

21.0 0.4 20 6.403 2.710 1.398 1.938

21.0 0.4 20 6.403 2.692 1.420 1.896

Moyenne 2.70 1.41 1.91




(W.m-1

.K-1

)

a

(mm2.s

-1)

Cp (MJ.K

-1.m

-3) Température

(°C)

Puissance

(W)

Temps de

mesure (s)

Rayon de

sonde (mm)

23.8 0.4 20 6.403 2.440 1.352 1.805

24.2 0.4 20 6.403 2.442 1.336 1.828

24.3 0.4 20 6.403 2.448 1.337 1.831

Moyenne 2.44 1.34 1.82




(W.m-1

.K-1

)

a

(mm2.s

-1)

Cp (MJ.K

-1.m

-3) Température

(°C)

Puissance

(W)

Temps de

mesure (s)

Rayon de

sonde (mm)

22.5 0.4 20 6.403 2.487 1.307 1.903

22.5 0.4 20 6.403 2.488 1.335 1.864

22.5 0.4 20 6.403 2.485 1.335 1.862

Moyenne 2.49 1.33 1.88



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V. BILAN DE LA PRESTATION

Voici un tableau récapitulatif des résultats des essais réalisés sur les sept éprouvettes :

Echantillon λ

(W.m-1

.K-1

) a

(mm2.s

-1)

Cp (MJ.K

-1.m

-3)

Eprouvette 1 – 600 cycles 2.80 1.44 1.94



Eprouvette 4 – pas de cyclage 2.71 1.32 2.05





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Annexe 1 : Rapport de cyclage

REF. & DESCRIPTION ECHANTILLONS DE TEST

Figure 1 : Eprouvettes avant cyclage

Désignation :

Eprouvette

Nombre d’échantillon(s) :

6

CONDITIONS D'ESSAI

Paramètres d’essai : - 5 minutes à 30 +/- 2°C

- 5 minutes à 140 +/- 2°C

- Pente : 1°C/min

- Durée de l’essai : 600 cycles

- 1 éprouvette retirée tous les 100 cycles.

Observation visuelle en fin d’essai.

DEROULEMENT & RESULTATS

Date de lancement de l’essai : 15/03/2016


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Figure 2 : Extrait de l’enregistrement du vieillissement climatique

Figure 3 : Eprouvettes après cyclage


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Annexe 2 : Présentation de la méthode Hot Disk

Principe de la méthode :

La méthode, régie par la Norme Internationale ISO 22007-2 :2008, est basée sur l'utilisation d'un

capteur plan transitoire, dont l’adaptation est l’Analyseur de Propriétés Thermiques Hot Disk. La sonde

Hot Disk se compose d’un motif conducteur électrique qui se présente sous la forme d’une double spirale

qui a été gravée sur une fine feuille de métal (Nickel). Cette spirale est sérigraphiée sur des feuilles

minces d'un matériau isolant (Kapton ou Mica).

Figure 4 : Sondes Hot Disk avec isolation Kapton.

Pour effectuer une mesure de propriétés thermiques, la sonde Hot Disk doit être placée entre deux

échantillons du matériau à caractériser – les surfaces des échantillons en contact avec la sonde devant être

planes et parallèles.

Figure 5 : Schéma du principe expérimental.

Le principe de base du système est de fournir une puissance constante pendant un temps limité au

matériau à caractériser via la sonde Hot Disk afin de générer une augmentation de température de

plusieurs degrés (1 à 3 degrés). C’est également la sonde qui est utilisée pour mesurer l’élévation de

température, grâce à l’enregistrement de la variation de sa résistance électrique via un pont de Wheastone

très précis.

La sonde Hot Disk est donc utilisée à la fois comme source de chaleur et comme capteur de

température.


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Figure 6 : Envoi d’une puissance constante dans le matériau et élévation de la température de l’échantillon.

Les caractéristiques de l’élévation de température, directement liées à l’évolution de la résistance

électrique de la sonde, sont enregistrées précisément et l’analyse de cette variation (régime transitoire)

permet de déterminer à la fois la conductivité et la diffusivité thermique.



Annexe 6 – Données numériques (CD-ROM)

Fichier Objet du fichier

RP-65599-FR.pdf Texte du rapport

SM08.mph Modèle numérique du géostock (Comsol ver. 4.2a)

Illustration 22 – Contenu du cédérom joint en annexe du rapport

1039 rue de Pinville 34000 Montpellier - FranceTél. : 04 67 15 79 80

Direction régionale Languedoc-Roussillon3 avenue Claude-Guillemin

BP 6009 - 45060 Orléans Cédex 2 - FranceTél. : 02 38 64 34 34 - www.brgm.fr

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Projet SeleCO2 - Etude du comportement thermomécanique de ...

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