Comportement isotopique de l'hydrogène dans les milieux aqueux et poreux : diffusion, solubilité et perspectives de suivi pour le stockage géologique // Isotopic behaviour of hydrogen in aqueous and porous media: diffusion, solubility and monitoring persp

Contexte
L'utilisation de l'hydrogène (H2) dans le secteur énergétique est une solution prometteuse dans le contexte actuel de transition énergétique, permettant de générer et stocker de l'énergie décarbonée. Le stockage de H2 est en revanche un challenge en raison de ses propriétés physico-chimiques, suscitant des craintes relatives à son inflammabilité, sa diffusivité (fuites), sa réactivité (corrosion), et son utilisation comme source d'énergie par des micro-organismes. Le stockage de H2 en surface est compliqué par sa faible densité, nécessitant des volumes importants. Le stockage en sous-sol est donc la voie privilégiée.

Objectifs
On va chercher à développer des outils basés sur les rapports isotopiques du H2 dans le cadre du monitoring de sites de stockage, en utilisant le δ2HH2 comme traceur de sources et/ou de processus. Pour cela, il est nécessaire de contraindre les potentielles variations de δ2HH2 en lien avec des processus physiques existant dans ces systèmes. On s'intéressera donc aux fractionnements isotopiques diffusifs, contrôlant les variations isotopiques lors de transferts de phase et de migration, ainsi que l'effet de la solubilité (fractionnement à l'équilibre).

Projet de doctorat
La détermination des facteurs de fractionnement sera dans un premier temps basée sur des méthodes de simulation de dynamique moléculaire, utilisant des paramètres déjà partiellement optimisés pour le H2 (Kerkache et al., 2024).
Cette étude devra être complétée par une détermination expérimentale, pour lesquelles des dispositifs devront être conçus.
Le doctorat se déroulera à l'Université de Pau et des Pays de l'Adour (UPPA), au Laboratoire des Fluides Complexes et Réservoirs (LFCR, https://lfc.univ-pau.fr/) au sein de l'équipe « Propriétés Thermophysiques » (PT).
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Context
The Energy transition requires the development of new strategies, and the use of molecular hydrogen (H2) for generating and storing carbon-free energy is a promising solution. H2 storage is however a challenge due to its flammability, diffusivity (leakage), reactivity, and its potential consumption by micro-organisms. Surface H2 storage has some limitations due to the low density of H2 as compared to other gases. Underground H2 storage is therefore more favorable, offering more capacity and safety.

Objectives
The objective of this project is to develop monitoring tools in the context of geological H2 storage, using isotope ratios (δ2HH2) as a tracer of source or processes. For this purpose, the variability in δ2HH2 due to physical processes needs to be assessed to better constrain the isotopic behavior of H2 during storage. We focus here on isotope fractionation during diffusive processes, involved in migration and phase transfer or H2, and equilibrium partitioning between water/brine and gas.

PhD Project
Isotope fractionation factors will be first determined using molecular dynamics simulations using optimized parameters in equilibrium and non-equilibrium simulations (Kerkache et al., 2024).
In parallel, the successful candidate will be required to design laboratory experiments for comparing simulated and experimentally-determined fractionation factors.
The successful candidate will work at the Université de Pau et des Pays de l'Adour (UPPA) in the Laboratory of Complex Fluids and Reservoirs (LFCR, https://lfc.univ-pau.fr/), within the research group “Thermophysical Properties” (PT).
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Début de la thèse : 05/01/2026

Autre financement public

ANR Financement d'Agences de financement de la recherche

Université de Pau et des Pays de l'Adour

211 Sciences Exactes et leurs Applications

- Connaissances sur les théories de fractionnement isotopiques par effets de diffusion et équilibres. - Compétences en simulations de dynamique moléculaire et traitement de données. - Capacité à proposer et développer des expériences en laboratoire. - Des connaissances en chimie analytique seraient un plus. - Bon niveau d'anglais (B2)
- Knowledge on diffusive and equilibrium isotope fractionation theories. - Skills in molecular dynamics simulations and data processing. - Ability to propose and develop laboratory experiments. - Knowledge in analytical chemistry would be an advantage. - English level B2.