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Innovation et industrie
Actualités 06 juillet 2021

Storengy et IFP Energies nouvelles renouvellent leur partenariat de recherche et développement

Storengy et IFP Energies nouvelles (IFPEN), au travers de son Carnot IFPEN Ressources Energétiques, renouvellent leur partenariat trois ans après la signature du premier accord-cadre visant à développer des collaborations en recherche et innovation dans le domaine de la transition énergétique.

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Christophe PREUX

Chef de département, physico-chimie des fluides et matériaux complexes
Christophe Preux est diplômé de l’école d’ingénieur MATMECA (+ DEA mathématiques appliquées) (2003) avant de réaliser sa Thèse de doctorat à Université Bordeaux 1 en partenariat avec le CEA-CESTA
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Julien COATLÉVEN

Ingénieur de recherche en calcul scientifique
Julien Coatléven est diplômé de l’ENSTA (Paris) et a effectué sa thèse en mathématiques appliquées à l’Ecole Polytechnique (Paris) et l’INRIA Rocquencourt. Après avoir mené des recherches
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Maria-Fernanda ROMERO-SARMIENTO

Ingénieur de recherche / Chef de projet
Docteur en Géochimie Organique
HDR en Sciences de l'Univers
Maria-Fernanda Romero-Sarmiento a rejoint l’IFP Energies nouvelles en 2010 en tant que chercheuse scientifique en géochimie organique. Elle est titulaire d'un doctorat en Géochimie Organique de l
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Jean KITTEL

Materials & Corrosion Technical Advisor, Chef de projet
Docteur en électrochimie
> 20 ans d'expérience dans le domaine des matériaux et de la corrosion. Ingénieur Matériaux de l'INSA de Lyon, 1997. Docteur en Electrochimie (Paris 6), 2001. HDR de l'INSA de Lyon, 2011. Membre
Carnot IFPEN Ressources Energétiques
Innovation et industrie

Carnot IFPEN Ressources Energétiques

Carnot IFPEN Ressources énergétiques

Approfondir et accélérer la R&I 

Les activités ressources énergétiques d’IFPEN ont reçu le label « Institut Carnot » en 2020, reconnaissance des nombreuses collaborations existantes avec des acteurs des mondes économique et académique, tant en France qu’à l’international. IFPEN Ressources Energétiques fait désormais partie du réseau Carnot, fort de 39 Carnot, pour une durée de quatre ans.

Créé par le ministère de l'Enseignement supérieur, de la Recherche et de l'Innovation en 2006, le label est décerné à des laboratoires publics fortement engagés dans une logique de recherche partenariale au bénéfice de l’innovation d’entreprise et de la croissance française.

Implantés sur tout le territoire français, les Carnot poursuivent en synergie une mission commune : préparer l’avenir industriel et économique en accélérant le transfert de technologies de la recherche vers le monde socio-économique.
 

Relever le défi de la transition énergétique

Le Carnot IFPEN Ressources Energétiques (IFPEN RE) est résolument engagé dans la thématique de la transition énergétique en se proposant de  : 

Soutenir l’innovation dans les PME

Outre le développement de nouvelles technologies de l’énergie, IFPEN RE s’engage à :
- intensifier par des actions très volontaristes ses partenariats avec des ETI, PME et start-up ;
- faire bénéficier le réseau des Instituts Carnot de ses compétences en termes de développement à l’international et profiter également d’expériences en retour.
 


Le réseau IFPEN RE 

Le Carnot IFPEN Ressources Energétiques entretient des relations privilégiées avec l’industrie, des TPE, PME, ETI jusqu’aux grands groupes industriels français et internationaux.

De plus, il est engagé, aux niveaux national, européen et international, dans de nombreuses structures collaboratives, ce qui le place au centre d’un réseau dense de partenariats de recherche.

Au niveau national, le Carnot IFPEN RE s’investit activement dans les alliances de recherche Ancre, dont IFPEN est membre fondateur, et AllEnvi, dédiées respectivement à l’énergie et à l’environnement. Il est également fortement impliqué dans d’autres structures thématiques telles que le pôle de compétitivité AVENIA consacré aux géosciences, le Club CO2 dont il assure la présidence dans le domaine du CCS, l’association EVOLEN de promotion de l’excellence technologique française et le programme CITEPH d’Open Innovation en faveur du développement de PME et ETI dans le domaine de l’énergie, ou encore l’institut Convergence Data IA dédié au numérique.
Le Carnot IFPEN RE travaille aussi en étroite collaboration avec la communauté universitaire ainsi qu’avec d’autres établissements publics de recherche. Enfin, il est impliqué dans des projets de démonstration dans le cadre des Programmes d’investissement d’avenir (PIA) soutenus par l’Ademe.

Au niveau international, le Carnot IFPEN RE dispose de relations privilégiées avec de nombreux "Research Technology Organisations" (RTO), via notamment des accords-cadres et partenariats stratégiques. Les travaux de recherche du Carnot font l’objet d’une forte visibilité et plus de la moitié de ses publications de rang A relèvent de coopérations étrangères. Par ailleurs il est partie prenante de nombreux organismes scientifiques de premier plan mondial et est le représentant de la France au Comité exécutif du Programme de coopération technologique IEA Wind de l’Agence internationale de l’énergie (AIE)

Plus particulièrement, en Europe, le Carnot IFPEN RE se positionne comme un acteur de poids au sein de l’Espace européen de la recherche (EER) et  travaille en synergie avec des plateformes telles que l’ETIP-DG afin de définir les besoins de l’industrie et les opportunités de développement de la géothermie. Dans le domaine du CCUS, il participe également activement aux réseaux européens tels que ECCSEL et la plateforme ZEP pour accélérer le déploiement de ces technologies. Dans le domaine des géosciences, il contribue au développement de solutions pour la gestion des sols avec l’European Energy Research Alliance (EERA).
 

Expertises et compétences  

•    Géosciences descriptives et quantitatives
•    Mécanique des fluides, des solides et des structures
•    Modélisation moléculaire, thermodynamique
•    Physico-chimie des matériaux et fluides complexes
•    Physique et Analyse
•    Biotechnologies
•    Génie chimique et technologies
•    Conception et modélisation de procédés 
•    Modélisation et simulation des systèmes
•    Science et technologies du numérique
 

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Charles-Philippe LIENEMANN

Charles-Philippe Lienemann - Adjoint Scientifique à la Direction Physique et Analyse
Charles-Philippe Lienemann a obtenu son Master de l'Université de Genève (Suisse) en 1993. Il rejoint ensuite l'Université de Lausanne (Suisse) au sein du groupe de D. Perret et du Prof. J-C. Bünzli
Enjeux et prospective

Géothermie : exploiter la chaleur de la planète

Utiliser la température du sous-sol de la Terre pour produire de la chaleur ou de l’électricité : c’est le principe de la géothermie. Moins connue que l’énergie solaire ou éolienne, c’est pourtant la troisième énergie renouvelable la plus utilisée dans l’hexagone. Voici comment elle fonctionne.
 

 

Géothermie

 
Géothermie
Innovation et industrie

Nos atouts

Carnot IFPEN Ressources EnergétiquesGéothermie
nos atouts

- Des compétences et une expertise multidisciplinaire qui permettent d’intervenir sur toutes les briques de la chaîne de valeur de la géothermie :

  • Géosciences,
  • Thermodynamique,
  • Géomécanique, 
  • Mécanique des fluides,
  • Physico-chimie,
  • Microbiologie, 
  • Conception et modélisation des procédés, 
  • Mathématiques appliquées, Technologies digitales,
  • Economie.


- Des outils numériques avancés de gestion du sous-sol développés pour les hydrocarbures et transposables à la géothermie  :


- Une double approche mêlant :

  • l'expérimental,
  • la simulation.
     

- Une proximité avec les industriels et une connaissance des besoins marchés basée sur l’écoute client.

- Une recherche appliquée et une capacité à répondre immédiatement à des problématiques opérationnelles.

- L’intégration de la dimension Analyse de cycle de vie (ACV) dès le début des projets.
 

Géothermie
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Géothermie

Carnot IFPEN Ressources EnergétiquesGéothermie
Contexte et enjeux

La géothermie « profonde », par opposition à la géothermie de surface, vise à exploiter la chaleur du sous-sol comme source de chauffage ou d’électricité. Ces deux objectifs sont atteints dans des proportions diverses selon les zones géographiques.

Génération d’électricité

  • La puissance nécessaire est telle que son potentiel reste limité quelques zones géographiques en France (fossé rhénan, massif central et DOM-TOM),
  • Les perspectives de développement sont en revanche très importantes à l’international (Islande ou Italie par exemple),
  • Le coût de l’électricité produite est comparable à celui issu des autres énergies renouvelables

 

Alimentation du réseau de chaleur

  • Ce besoin est déjà opérationnel sur le territoire français, notamment dans le bassin parisien,
  • Son potentiel de développement reste important.

 

La filière de la géothermie reste aujourd’hui dépendante des soutiens de l’État. La cogénération et la production de produits connexes, comme par exemple le lithium contenu dans les eaux géothermiques, sont à intégrer dans l’avenir pour améliorer la rentabilité des exploitations et réduire ainsi le coût de l’énergie produite.
 

La programmation pluriannuelle de l’énergie (PPE) 2019-2023 et 2024-2028 prévoit un accroissement important de la chaleur produite par la géothermie profonde. Cette chaleur, qui était de 2 TWh en 2017, devrait atteindre 3 TWh en 2023 et entre 5 et 7 TWh en 2028 soit un triplement en dix ans. 
Quant à la capacité installée de production d’électricité à partir de géothermie, qui était de 16 MW en 2016, la PPE révisée de 2021 priorise la géothermie sur la production de chaleur avec un objectif de production électrique légèrement révisé à la hausse à 24MW pour 2023.

IFPEN apporte ses multiples compétences pour accompagner la filière dans son développement. Ses outils de modélisation peuvent être mis à contribution pour l’évaluation des ressources dans la durée. IFPEN possède également les équipements et connaissances nécessaires pour faire face aux problématiques de corrosion et de dépôts minéraux dans les puits. IFPEN intervient également dans la phase de dimensionnement des équipements de surface.

Proposer des solutions concrètes, innovantes et réplicables pour lever les verrous techniques et économiques limitant le développement industriel de la géothermie.

Nos solutions  Nos réseaux  Nos atouts 

 

Géothermie
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Nos solutions

Carnot IFPEN Ressources EnergétiquesGéothermie
nos solutions

IFPEN propose une approche globale de la géothermie, depuis l’évaluation des ressources jusqu’au dimensionnement des installations en surface en passant par la modélisation des puits de production et de réinjection et le risque de dépôts. Cette approche allie expérimentations en laboratoire, modélisation avancée et études technico-économiques.

Pour atteindre cet objectif et répondre ainsi aux problématiques des opérateurs de la géothermie, IFPEN s’appuie sur des compétences multidisciplinaires développées au départ pour l’exploration et la production des hydrocarbures et notamment sur la maîtrise de logiciels de modélisation du sous-sol (à l’échelle bassin et réservoir).
 

EVALUAtion deS RESSOURCES GEOTHERMALes

Il existe deux grandes catégories de ressources géothermales, d’une part les gisements de basse et très basse énergie que constituent les aquifères des bassins sédimentaires, et d’autre part les gisements de moyenne et haute énergie qui se trouvent dans les socles fracturés et les zones magmatiques

La géothermie dans les bassins sédimentaires français va contribuer à atteindre les objectifs de la programmation pluriannuelle de l’énergie (PPE). Il faudra continuer à exploiter le Dogger du bassin parisien, mais aussi s’orienter vers d’autres niveaux réservoirs de ce bassin et vers les autres bassins français.

Les bassins sédimentaires présentent plusieurs enjeux :

  • leur exploration et l’évaluation du potentiel (température, perméabilité, pression, etc.) et des risques (CO2, H2S, hydrocarbures), 
  • l’évaluation des réservoirs avec la prise en compte des hétérogénéités et de leur impact sur les écoulements,
  • la compréhension du comportement du réservoir en production, l’évolution de la thermicité, des interactions eau-roche, 
  • le maintien de l’injectivité des réservoirs silico-clastiques, en prenant en compte la minéralogie du réservoir, la microbiologie et la stabilité des eaux.
     

Les zones magmatiques et les socles fracturés demandent des études complémentaires. L’évaluation de la structure thermique actuelle n’est possible que si elle s’accompagne d’une compréhension précise de : 

  • la genèse et par conséquent la distribution actuelle de la fracturation naturelle,
  • l’évolution du réseau de fractures avec la production, 
  • l’impact des connectivités sur la récupération de chaleur et produits connexes comme le lithium au cours de la durée de l’exploitation.

IFPEN étudie l’exploitation de réservoirs en contexte magmatique profond dans le cadre de projets collaboratifs européens comme GECO et DEEPEN.

Rappelons que GECO s’appuie sur l’expérience de réinjection des gaz non condensables acquise au cours du projet H2020 CarbFix en Islande pour réaliser une exploitation géothermique zéro émission en Italie. 

IFPEN dispose d’outils de modélisation puissants pour évaluer le potentiel des gisements géothermaux : TemisFlow™, CooresFlow™ et PumaFlow™.

Le logiciel de modélisation de bassin TemisFlow™, développé initialement pour l’exploration des hydrocarbures, permet de modéliser :

  • l’hétérogénéité sédimentaire résultant de l’évolution tectono-stratigraphique du bassin,
  • les dépôts, la compaction et les écoulements au cours de l’histoire du bassin, afin :
    • d’évaluer les températures, les flux de chaleur, les pressions, porosités et perméabilités associées,
    • d'appréhender l’écoulement des fluides et le comportement géochimique, notamment l’évolution de la salinité et la génération de CO2 et de H2S mais également la prise en compte de la lixiviation et du transport du lithium dans les eaux profondes.


Grâce à ces informations, il est possible :  

  • d'évaluer les flux de chaleur et le potentiel géothermique ainsi que les risques liés à la chimie des fluides et les surcoûts associés, 
  • d'anticiper les contraintes liées à la réinjection.


Le logiciel de modélisation du comportement des stockages souterrains CooresFlow™ dispose de fonctionnalités telles que :

  • la modélisation de l’assèchement du milieu poreux,
  • le déplacement à contre-courant de l’eau par ré-imbibition capillaire,
  • le transport de sel,
  • l’évolution de la porosité et de la perméabilité. 

Ces fonctionnalités, validées et exploitées dans un contexte de géothermie, permettent de prendre en compte de façon très précise les besoins des opérateurs de géothermie.

Le logiciel de simulation de réservoir PumaFlow™ peut également être mis à profit pour prédire l’évolution des fluides dans un gisement géothermique.

Bassin sédimentaire
Evaluation du potentiel thermique d’un bassin sédimentaire


 

UN MODELE DE PUITS : ETUDE DES DEPOTS ET DE LA CORROSION

Les puits présentent des problématiques particulières comme les risques de dépôts minéraux (calcaire, etc.) et de corrosion qui nécessitent de connaître l’évolution de la température, des phases et de leurs propriétés thermodynamiques, en fonction de l’historique de production.

A ces fins, IFPEN a développé le modèle de puits GWellFM pour simuler l’écoulement monophasique ou diphasique d'un mélange multi-composants et il en prend en compte :

  • l’hydrodynamique de l’écoulement vertical pour les différents régimes (monophasique - gaz et liquide - ou diphasique : dispersé, intermittent et annulaire),
  • la thermodynamique, les lois de comportements des mélanges, les calculs d'équilibre de phase,
  • l’échange thermique avec l’encaissant.


Le logiciel de simulation de puits GWellFM résout les bilans de la masse, le mouvement et l’enthalpie en régime stationnaire. Il peut être utilisé pour toute configuration de puits (producteur ou injecteur) et toute condition (géothermie peu profonde à basse température ou profonde à haute température).

GWellFM possède également une option pour modéliser le transfert thermique entre le fluide et l’encaissant en régime transitoire, ce qui permet de réaliser des simulations avec des débits et des conditions d'entrée variables, de simuler l'historique de production et d'injection, de modéliser le processus d'arrêt et également d’étudier l'effet de la température du fluide (production ou injection) au voisinage du puits.

GWellFM est également enrichi d’un modèle géochimique pour évaluer le risque de dépôt dans les puits.

GWELLFM
Quelques éléments chimiques aux abords d'un puits pris en compte par GWELLFM

 

INSTALLATIONS DE SURFACE : OPTIMISATION DU DIMENSIONNEMENT

Les installations de surface doivent être conçues et optimisées pour répondre aux besoins énergétiques, notamment en termes de flexibilité saisonnière de l’énergie (chaleur versus électricité) mais également en matière de cogénération (chaleur et électricité) et coproduction.

A signaler également : la récupération de la chaleur des puits pétroliers est devenue un enjeu pour la limitation des émissions de gaz à effet de serre des installations de production pétrolière ou gazière.

IFPEN, allié à sa filiale Beicip-Franlab, réalise des modélisations et des études technico-économiques pour :

  • évaluer le potentiel énergétique des réservoirs ayant eu un historique de production,
  • proposer des solutions de surface performantes qui s’intègrent aux procédés existants.

La performance des installations de surface repose essentiellement sur la capacité à extraire l’énergie thermique du fluide sortant du puits et à la transmettre sous forme de chaleur ou à la transformer en énergie électrique.

Afin d’estimer les rendements thermiques et électriques, un logiciel de procédés est utilisé pour simuler et optimiser les installations de surface, isolées ou intégrées à un procédé existant. 

Les résultats issus des simulations permettent d’établir :

  • le dimensionnement des équipements de surface, 
  • une estimation des coûts,
  • une étude comparative des différentes configurations possibles menant à la solution la plus adaptée.

Le modèle de puits GWellFM, relié à un outil de simulation de surface, est également utilisé pour concevoir la complétion des puits et les compresseurs de manière à obtenir une réinjection totale du fluide. 

A retenir

Grâce à leur expertise en simulation des procédés ainsi qu’à leur connaissance des équipements de surface, IFPEN et son partenaire Beicip-Franlab conçoivent des installations de récupération d’énergie géothermique adaptées et optimisées

En parallèle de cette offre, IFPEN dispose de moyens techniques pour étudier finiment les phénomènes de dépôt minéral dans les échangeurs de chaleur, qui finissent ainsi par être moins efficaces au cours du temps. Une installation expérimentale de type HEATER FOULING a été mise en place dans cet objectif.