Optimisation de production électrique pour les centrales géothermiques à partir de modèles couplés réservoir-puits-surface

IFP Energies nouvelles (IFPEN) est un organisme public de recherche, d’innovation et de formation dont la mission est de développer des technologies performantes, économiques, propres et durables dans les domaines de l’énergie, du transport et de l’environnement. 

IFPEN met à disposition de ses chercheurs un environnement de recherche stimulant, avec des équipements de laboratoire et des moyens de calcul très performants.

Dans le cadre de la mission d’intérêt général confiée par les pouvoirs publics, IFPEN concentre ses efforts sur :

• l’apport de solutions aux défis sociétaux de l’énergie et du climat, en favorisant la transition vers une mobilité durable et l’émergence d’un mix énergétique plus diversifié ;
• la création de richesse et d’emplois, en soutenant l’activité économique française et européenne et la compétitivité des filières industrielles associées.

Optimisation de production électrique pour les centrales géothermiques à partir de modèles couplés réservoir-puits-surface

Dans le cadre du projet géothermie IFPEN, des outils de modélisation d’écoulements sont développés et couplés pour représenter à la fois le réservoir, mais aussi les puits de production et d’injection ainsi que les installations de surface. Ceci doit permettre d’optimiser le coût de production d’énergie en jouant sur le design des installations de surface mais aussi les paramètres de production, et de considérer l’évolution de la production en fonction du comportement dynamique du réservoir.

Dans le cadre du projet Horizon Europe HOCLOOP, ces outils sont utilisés et adaptés pour considérer un puits fermé, extrayant la chaleur du sous-sol par conduction seule, grâce à un système de circulation pipe-in-pipe dans un puits en L avec injection dans l’annulaire et production dans la partie centrale.

L’utilisation de puits fermés permet notamment de s’affranchir de risques associés au réservoir (faibles perméabilités, sismicité induite par la stimulation ou la production) et de produire à toutes profondeurs en ne considérant que des cibles de températures, sans prendre en compte les propriétés réservoirs. Il est toutefois nécessaire d’identifier le design des infrastructures et du schéma d’exploitation optimal en termes de puissances nettes extractibles en considérant différentes valeurs possibles des paramètres de conception, comme le diamètre du puits, sa profondeur, longueur, température associée …

Des outils numériques peuvent être utilisés pour aider à l’optimisation de ce design. Ils consistent par exemple à utiliser des algorithmes d’optimisation qui vont automatiquement proposer de nouveaux designs à tester afin d’identifier celui permettant de répondre au mieux au critère cible (maximisation des puissances nettes extractibles par exemple).

Dans le cadre de ce stage, on se propose de mettre en place une telle boucle de conception optimale à l’aide d’outils disponibles en interne à IFPEN. Plus précisément, le travail consistera dans un premier temps à coupler les simulateurs puits (GWellFM) – réservoir (Fraxim) – surface (COFE) disponibles à la plateforme d’optimisation Lagun.

Le problème de conception devra ensuite être défini, en termes d’objectif métier, de paramètres de design à optimiser et de contraintes sur ces paramètres (intervalles de variation autorisés notamment), en considérant différents niveaux de complexité du problème à résoudre. Enfin, des workflows d’optimisation seront mis en place et testés sur un cas synthétique, qui seront à définir en fonction notamment de la nature et du nombre de paramètres de conception à considérer.

Votre profil :

Niveau du stage : M2

• Discipline : Mécanique des fluides ou sciences sols et sous-sols ou conception des procédés
• Compétences : Mécanique des fluides, modélisation procédés, optimisation, géothermie, programmation (Python, CAPE-OPEN), anglais

Durée du stage : 6 mois
Début : Entre mars et juin 2025

Informations administratives

Établissement d'accueil : IFPEN
Adresse : 1 & 4 avenue de Bois Préau - 92500 Rueil-Malmaison
Direction : Physico-chimie et Mécanique appliquées
Responsables du stage : Vlasios Leontidis (R174), Veronique Gervais-Couplet (R164), Theo Barrail (R121)

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Optimising power generation for geothermal power plants 

As part of the IFPEN geothermal project, flow modelling tools have been developed and coupled to represent not only the reservoir, but also the production and injection wells and the surface facilities. This should make it possible to optimise the cost of energy production by modifying the design of the surface installations as well as the production parameters, and to consider changes in production as a function of the dynamic behaviour of the reservoir.

In the framework of the Horizon Europe HOCLOOP project, these tools are being used and adapted to consider a closed well, extracting heat from the rocks by conduction alone, using a pipe-in-pipe circulation system in an L-shaped well with injection into the annulus and production from the central part. The use of closed wells makes it possible to avoid the risks associated with the reservoir (low permeability, seismicity induced by stimulation or production) and to produce at any depth by considering only temperature targets, without taking reservoir properties into account. However, it is necessary to identify the optimum infrastructure design and operating scheme in terms of net extractable power by considering different possible values for the design parameters, such as well diameter, depth, length, associated temperature ....

Digital tools can be used to help optimise this design. They consist, for example, of using optimisation algorithms that will automatically propose new designs to be tested to identify the one that best meets the target criterion (maximisation of net extractable power, for example).

The aim of this internship is to set up such an optimal design loop using tools available internally at IFPEN. More specifically, the work will initially involve coupling the available well (GWellFM) – reservoir (Fraxim) – surface (COFE) simulators with the Lagun optimisation platform. The design problem will then have to be defined, in terms of the business objective, the design parameters to be optimised and the constraints on these parameters (authorised variation intervals in particular), considering different levels of complexity of the problem to be solved. Finally, optimisation workflows will be set up and tested on a synthetic case study, which will be defined according to the nature and number of design parameters to be considered.

Your Profile:

Internship level: Master (M2)

• Discipline: Fluid mechanics or Sciences for soils and underground environments or Process design
• Skills: Fluid mechanics, process design, optimisation, geothermal energy, coding (Python, CAPE-OPEN), English

Duration of the internship: 6 months
Starting date: Between Mars and June 2025

Administrative information

Host establishment: IFPEN
Address: 1 & 4 avenue de Bois Préau - 92500 Rueil-Malmaison
Direction: Applied Physical Chemistry and Mechanics
Responsible: Vlasios Leontidis (R174), Veronique Gervais-Couplet (R164), Theo Barrail (R121)