Évolution thermo-hydro-géochimique d'un puits à colonne permanente conduisant à la précipitation et à la dissolution de la calcite

L'installation d'un puits à colonne permanente, destiné à réduire la consommation énergétique des systèmes de chauffage et de climatisation des bâtiments, dans un aquifère calcaire peut engendrer des problèmes opérationnels. En effet, l'exploitation directe de l'eau souterraine comme fluide caloporteur, ainsi que les fréquentes variations de sa composition chimique favorisent la précipitation de la calcite. La démocratisation de cette technologie est ainsi limitée par un manque de connaissance à ce sujet. De ce fait, l'objectif général de la thèse est de comprendre les mécanismes thermo-hydro-géochimiques, conduisant à la précipitation et la dissolution de la calcite au sein d'un puits à colonne permanente, installé dans un aquifère calcaire fracturé. Les puits à colonne permanente représentent un système complexe, couplant l'écoulement de l'eau souterraine, le transfert de chaleur par advection et conduction, ainsi que le transport réactif multi-espèces dans l'eau. Pour répondre à l'objectif général de la thèse, un modèle numérique d'un puits installé dans un aquifère calcaire fracturé est développé en couplant trois modèles, à savoir un modèle d'écoulement d'eau, un modèle de transfert de chaleur et un modèle géochimique. La vitesse de Darcy, définie par le modèle d'écoulement d'eau, est utilisée par le modèle de transfert de chaleur pour définir la température sur l'ensemble du domaine. Finalement, la vitesse de Darcy et la température sont intégrées dans le modèle géochimique pour simuler le devenir de neuf espèces chimiques considérées

Abstract

The installation of standing column wells, to reduce the energy consumption for space heating and cooling of buildings, may cause operational problems in a calcareous aquifer. Indeed, the direct use of groundwater as the heat carrier fluid, as well as frequent changes in its chemical composition, favor calcite precipitation. The democratization of this technology is thus limited by a lack of knowledge about this topic. Therefore, the main objective of the thesis is to understand the thermo-hydro-geochemical mechanisms leading to precipitation and dissolution of calcite in a standing column well installed in a fractured calcareous aquifer. Standing column wells form a complex system, coupling groundwater flow, heat transfer by conduction and advection and multi-species reactive transport in water. To meet the main objective of this thesis, a numerical model of a well installed in a fractured calcareous aquifer is developed by coupling three models, namely a groundwater flow model, a heat transfer model and a geochemical model. The Darcy velocity defined by the grounwater flow model is used by the heat transfer model to calculate the temperature throughout the simulation domain. Finally, the Darcy velocity and the temperature are integrated in the geochemical model to simulate the behavior of nine chemical species.