Suivi temporel thermique des systèmes géothermaux de minimes importances par méthodes géophysiques // Thermal monitoring of low enthalphy geothermal systems with geophysical methods

PROJET EN FRANÇAIS :

Les premières études au niveau international sur la géothermie de surface, telle qu'elle se développe en ville sur la base de systèmes géothermaux de minime importance, montrent que la compréhension des hétérogénéités géologiques locales du sous-sol et les écoulements souterrains associés sont fondamentaux pour prédire la « densité limite » des systèmes pouvant être installés dans un quartier et contraindre l'utilisation de la chaleur et/ou du froid d'un quartier. Une gestion durable de cet espace et des ressources associées nécessite donc d'observer finement dans le temps et dans l'espace l'évolution du régime thermique du sous-sol. Le nombre de mesures directes in situ de la température dans un sous-sol hétérogène restant insuffisant pour suivre et comprendre cette dynamique, il est nécessaire de développer des procédés non invasifs issus de méthodes géophysiques.

Dans ce sujet de thèse nous proposons d'approfondir la compréhension de l'évolution thermique d'un système géothermal via l'utilisation de méthodes géophysiques dans le but de produire des estimations fiables du nombre maximum de puits pouvant être implantés au sein d'un quartier. Plusieurs axes de travail seront abordés pour y parvenir :
1. Caractérisation géologique et hydrogéologique locale : l'analyse des variations locales dans le sous-sol est cruciale pour comprendre la capacité d'un système géothermal. Utiliser des méthodes géophysiques pour imager les structures souterraines pourra fournir des informations essentielles pour ajuster les paramètres des simulations thermiques.
2. Suivi temporel de l'évolution thermique du sous-sol : l'accès à la réponse thermique du sous-sol dans le temps peut se faire en partie en utilisant des méthodes de monitoring basées sur des capteurs thermiques in situ. Ceci pourra aider à comprendre comment le régime thermique évolue en fonction de l'exploitation des systèmes géothermiques.
3. Suivi géophysique : des méthodes géophysiques peuvent être développées et adaptées pour leur sensibilité à la température, aux propriétés hydrogéologiques, et à la géométrie d'un système géothermal en environnement urbain. Leur mise en place en mode suivi pourra apporter des contraintes à la compréhension des échanges thermiques et hydrauliques.
4. Modélisation et estimation de la densité limite des systèmes géothermiques : des outils de modélisation numérique peuvent contribuer à prédire le nombre maximum de puits géothermiques pouvant être installés dans un quartier sans risque de dégradation thermique à long terme. Cette modélisation inclura les échanges thermiques et hydrauliques entre les puits et le sous-sol environnant.
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PROJECT IN ENGLISH:

Initial studies on shallow geothermal energy, as it is developing in cities based on low-enthalpy geothermal systems, show that understanding the local geological heterogeneities of the subsurface and the associated underground flows is essential for predicting the ‘maximum density' of systems that can be installed in a neighborhood and constraining the use of heat and/or cooling within a district. Sustainable management of this space and the associated resources therefore requires careful observation, over time and space, of the evolution of the thermal regime of the subsurface. The number of direct in situ measurements of the temperature in a heterogeneous subsurface remaining insufficient to monitor and understand this dynamical behaviour, it is necessary to develop non-invasive processes based on geophysical methods.

In this thesis project we propose to deepen the understanding of the thermal evolution of a geothermal system through the use of geophysical methods in order to produce reliable estimates of the maximum number of wells that can be installed within a neighborhood. Several work packages will be addressed to achieve this:
1. Local geological and hydrogeological characterization: the analysis of local variations in the subsurface is crucial for understanding the capacity of a geothermal system. Using geophysical methods to image underground structures can provide essential information to adjust the parameters of thermal simulations.
2. Temporal monitoring of the thermal evolution of the subsurface: access to the thermal response of the subsoil over time can be done in part by using monitoring methods based on in situ thermal sensors. This can help to understand how the thermal regime evolves according to the exploitation of geothermal systems.
3. Geophysical monitoring: geophysical methods can be developed and adapted for their sensitivity to temperature, hydrogeological properties, and the geometry of a geothermal system in an urban environment. Their implementation in monitoring mode can provide constraints to the understanding of thermal and hydraulic exchanges.
4. Modeling and estimation of the limiting density of geothermal systems: numerical modeling tools can contribute to predicting the maximum number of geothermal wells that can be installed in a neighborhood without risk of long-term thermal degradation. This modeling will include the thermal and hydraulic exchanges between the wells and the surrounding subsurface.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Contrats ED : Programme blanc GS-GCE

Université Paris-Saclay GS Géosciences, climat, environnement et planètes

579 Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences

Vous êtes issu(e) d'un Master 2 ou d'une école d'Ingénieur avec de fortes compétences en Géophysique et/ou Géothermie, ou bien en Physique et déjà initié(e) à des méthodes d'imagerie (électromagnétique ou acoustique) et aux outils de modélisation numérique, motivé(e) par la démarche scientifique et la recherche appliquée en Sciences de la Terre.
You hold a Master degree with high skills in Geophysics and/or Geothermal Energy, or Physics if you have been initiated to imagery methods (electromagnetic or acoustics) and numerical modelling tools; you are motivated by the scientific approach and applied research in the Earth Sciences.