Chapitre 6 : Calcul du comportement mécanique des cavités salines soumises à des cycles journaliers
2. Problème thermique
2.5. Historique de la pression de l’air dans la cavité
2.5.1. Cycle de pression
Figure 6.3. Cycle de pression retenu pour les calculs.
Le chargement mécanique est réalisé en imposant la pression du gaz dans la cavité sur la base d’un cycle de 24 heures avec la décomposition suivante :
9,52 heures d’injection de gaz de 2 à 3 MPa ; 2 heures de repos ou stand-by à 3 MPa ; 4 heures de soutirage de gaz de 3 à 2 MPa ; 8,48 heures de repos ou stand-by à 2 MPa.
Chapitre 6. Calcul du comportement mécanique des cavités salines soumises à des cycles journaliers Ce scénario type (Figure 6.3) est issu du pré-dimensionnement réalisé par EDF dans le cadre du projet SACRE grâce à des simulations technico-économiques ; les temps de charge et de décharge ont été déterminés de manière à maximiser la rentabilité de l’installation.
Ce cycle de pression permet de construire un historique idéalisé de pression que l’on appliquera comme chargement aux deux cavités étudiées. Cet historique est présenté à la sous-section suivant.
2.5.2. Histoire du chargement
Sur la base du cycle journalier présenté en section 2.5.1, on a donc défini un historique théorique de chargement en pression de la cavité pendant 24 ans (Figure 6.4 et Figure 6.5).
Dans le cadre du projet SACRE de l’ANR, le partenaire Géostock a proposé d’inclure dans l’histoire de la pression, des phases de maintenance de la cavité pendant lesquelles la pression est abaissée jusqu’à la pression atmosphérique. Géostock a aussi contribué à ajuster les périodes de charge/décharge de la pression d’opération à la pression atmosphérique afin qu’elles soient réalistes. Les périodes de maintenance sont nécessaires pour vérifier l’état de corrosion du tube central et des cuvelages (Crotogino et al., 2001 ; Sobolik et Ehgartner, 2012). L’historique retenu pour le modèle CAES se présente donc comme suit :
Création, premier remplissage en gaz, premier passage à la pression minimale :
Création de la cavité par lessivage d’une durée de 8 ans, pendant laquelle l’évolution de la température est imposée dans la cavité, la pression de la cavité est abaissée de la pression géostatique à la pression halmostatique ; ultérieurement, l’évolution de la température est libre, donc déterminée par calcul ;
Phase de repos de 100 jours pendant laquelle la pression est halmostatique en cavité et certains équipements de surface sont installés ;
Premier remplissage en gaz de 15 jours à la pression halmostatique
P ; h Passage de la pression halmostatique à la pression minimale
Pmin 2 MPa
en 30 jours ; Chargement cyclique en fonctionnement normal 15 ans de cycles (2 – 3 MPa) de 24 heures par séries de 5 ans. Episodes de maintenance
Trois épisodes de maintenance sont pris en compte, un tous les cinq ans, pendant lesquels la pression est descendue jusqu’à la pression atmosphérique. Pendant un tel épisode :
La durée du passage de la pression minimale
Pmin
à la pression atmosphérique
Patm est de 30 jours ; La phase de maintenance à la pression atmosphérique
Patm est de 7 jours ; La durée du passage de la pression atmosphérique
Patm à la pression minimale
Pmin
est de 30 jours.Chapitre 6. Calcul du comportement mécanique des cavités salines soumises à des cycles journaliers
Figure 6.4. Evolution de la pression du gaz au toit de la cavité EU.
Figure 6.5. Evolution de la pression du gaz au toit de la cavité SG.
Les Figures 6.4 et 6.5 résument respectivement les évolutions de la pression du gaz imposées dans les cavités EU et SG. Une variante de ce calcul avec des cycles de pression compris entre 5 et 6 MPa (au lieu de 2-3 MPa) a été envisagée pour la cavité EU et les résultats sont commentés dans l’étude paramétrique en section 6. La cavité SG quant à elle est moins profonde, la pression géostatique à sa profondeur moyenne est de 5,08 MPa. Les cycles de chargement entre 5 et 6 MPa ne sont donc pas réalisables pour des raisons d’étanchéité, car 6 MPa est supérieure à la valeur de la pression géostatique.
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2.6. Maillage
La méthode des éléments finis est utilisée pour le calcul numérique.
Pour la cavité EU, la coupe méridienne maillée est un rectangle de 1500 m de longueur et 125 m de largeur. Les dimensions du rectangle correspondent respectivement à la hauteur et au diamètre du profil de calcul axisymétrique. La zone de calcul est subdivisée en 3 parties suivant la densité des mailles : une zone de très forte densité, une zone de forte densité et une zone de faible densité (voir section 3.5 au chapitre 7). Le toit du sel est à 476 m et le sabot de cuvelage est à 897 m. Des éléments triangulaire de 0,25 m de longueur maximale ont été utilisés en parois.
Pour la cavité SG, la coupe méridienne maillée est un rectangle de 300 m de longueur et de 60 m de largeur. Les dimensions du rectangle correspondent respectivement à la hauteur et au diamètre du profil de calcul axisymétrique. Dans le Tableau 6.5, on donne les caractéristiques des maillages utilisés. Le toit du sel est à 207 m et le sabot du cuvelage est à 211,9 m. Des éléments triangulaires de 0,15 m de longueur maximale ont été utilisés en parois.
Tableau 6.5. Caractéristiques du maillage utilisé pour les deux configurations.
Paramètres Cavité EU Cavité SG
Nombres de nœuds 23 183 11 021
Nombre d’éléments 44 901 20 914
Largeur (m) 125 60
Profondeur (m) 1500 300
Taille des éléments en paroi de cavité (m) 0,25 0,15
La Figure 6.6 présente les différentes zones de maillages utilisées. Ce modèle de maillage est favorable à l’étude des variations rapides de pression en cavité. Il est utile à la prise en compte des effets induits par les chargements répétés en paroi de cavité.
Figure 6.6. Différentes zones du maillage d’une cavité saline avec LOCAS. Coupe méridienne pour la cavité EU (à gauche) et pour la cavité SG (à droite).
Zone à très forte densité Zone à forte densité Zone à faible densité
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