Conception optimisée d’un système géothermique avec critères technico-économiques et prise en compte des risques de dépôt

IFP Energies nouvelles (IFPEN) est un acteur majeur de la recherche et de la formation dans les domaines de l’énergie, du transport et de l’environnement. De la recherche à l’industrie, l’innovation technologique est au cœur de son action. Dans ce contexte, la Direction Sciences de la Terre et Technologies de l’Environnement met en œuvre ses moyens expérimentaux et numériques afin de caractériser, comprendre et modéliser le sol et le sous-sol.

Le dépôt minéral (aussi appelé « encrassement ») constitue une problématique bien identifiée dans les systèmes géothermiques, résultant principalement de variations de température du fluide lors de son écoulement dans le puits, de changements dans la composition chimique du fluide ou encore de modifications de la vitesse d’écoulement. En l’absence de mesures préventives, la précipitation des minéraux présents dans le fluide remontant du sous-sol peut perturber les régimes hydrauliques, altérer les performances thermiques des équipements et générer des coûts de maintenance importants. Toutefois, les propriétés physiques du sous-sol et des fluides en place ne sont pas connues avec exactitude, entraînant des incertitudes sur les propriétés du fluide produit et donc sur les phénomènes de précipitation.

Afin de mieux anticiper ces effets, un outil numérique a été développé au sein d’IFPEN intégrant un modèle géochimique, un simulateur thermo-hydraulique d’écoulement dans les puits, et une base de données thermodynamiques. Ce couplage permet de simuler le dépôt minéral dans les puits de production et de réinjection et les installations de surface, en fonction des conditions d’exploitation et de la composition du fluide. Il peut ainsi être utilisé pour quantifier les risques de dépôt associés aux incertitudes sur les propriétés du fluide, en utilisant par exemple des méthodes de type Monte-Carlo.

À ce jour, les modules de simulation physique sont opérationnels. Pour aller plus loin, nous cherchons désormais à les utiliser pour mettre en place un outil de conception optimisée des doublets géothermiques permettant de minimiser les risques de dépôt. L’objectif est plus précisément d’identifier les caractéristiques des installations (diamètre, profondeur et position des puits par exemple) et des conditions d’exploitation (comme le débit de production) permettant d’optimiser un critère économique modélisé par le LCOE (Levelized Cost of Energy) et prenant en compte les performances énergétiques et les coûts (investissement, maintenance), tout en minimisant les risques d’encrassement lié aux dépôts minéraux au sein du système. Toutefois, ces objectifs de conception apparaissent comme potentiellement concurrents, nécessitant ainsi la recherche systématique des meilleurs compromis. De plus, la mise en place d’un système robuste requiert la prise en compte dans le processus d’optimisation des incertitudes sur les propriétés physiques du sous-sol et des fluides. Les objectifs de conception ne sont plus alors déterministes mais probabilistes, et l’on pourra chercher par exemple à optimiser le LCOE moyen tout en minimisant la moyenne et la variabilité de l’épaisseur de dépôt (optimisation sous incertitudes, ou optimisation robuste).  

Programme du stage

La contribution de ce stage portera sur la définition de critères de conception technico-économiques pertinents et la mise en œuvre d’une optimisation technico-économique robuste du système. Les missions incluront :

• La modélisation des coûts : forage, équipements, maintenance ;
• Le calcul d’indicateurs économiques (LCOE) ;
• La mise en place d’une boucle d’optimisation (variables continues et discrètes) visant à réduire le coût de production tout en limitant l’encrassement (optimisation multi-objectifs, optimisation sous incertitudes); il s’agira pour cela de coupler des codes d’optimisation existants avec l’outil de simulation numérique développé à IFPEN, et de tester différentes approches possibles afin de déterminer l’intérêt de chacune
• La valorisation des résultats à travers des simulations numériques et une analyse critique des compromis technico-économiques.
• Ces différents aspects seront mis en place sur un modèle synthétique de système géothermique.

Compétences recherchées :

• Optimisation et gestion des incertitudes ;
• Modélisation physique ;
• Programmation scientifique (Python, R ou équivalent) ;
• Intérêt pour les énergies renouvelables et la géothermie.