Comportement thermohydrique des sols fins compactés, application au stockage d'énergie

Le stockage de chaleur dans les sols constitue une solution prometteuse pour répondre aux enjeux de la transition énergétique. Cependant, comprendre les mécanismes couplés de transfert eau–chaleur est essentiel pour prédire le comportement des sols non saturés soumis à des cycles thermiques. Cette étude analyse l’influence de la température sur le comportement hydrique d’un sol fin compacté pour évaluer l’importance des transferts en phase vapeur. Afin de simuler les cycles de chauffage-refroidissement liés au fonctionnement des échangeurs géothermiques, des essais de séchage en colonne ont été menés dans des conditions isothermes, et non isothermes avec un chauffage (30°C et 40°C) ou un refroidissement (5°C) par la base, et une surface exposée à l’évaporation. Le dispositif expérimental développé, et équipé de papiers filtre et de capteurs thermiques, a permis de suivre l’évolution de la teneur en eau, des succions et de la température. Les données ont servi à établir les courbes de rétention et de conductivité hydraulique non saturée. L’application d’un gradient de température conduit à une accélération du séchage avec des tendances non monotones. Des zones humides (condensation) apparaissent à mi-hauteur tandis que la base de la colonne s’assèche dès les premières heures des essais à la base des colonnes chauffées. Par ailleurs, la conductivité hydraulique non saturée diminue sous succions intermédiaires, et augmente sous fortes succions, traduisant l’effet des transferts de vapeur. Le flux ascendant en profondeur est environ 2,3 fois plus élevé à 40°C qu’à 30°C, montrant l’amplification nette de la dynamique vapeur avec la température. À 5°C, un flux descendant est observé vers la zone refroidie, reproduisant ainsi les phénomènes de condensation susceptibles de se produire dans les remblais soumis à des cycles de refroidissement. En complément, l’imagerie par résonance magnétique (IRM) a été utilisée pour suivre la redistribution de l’eau sans perturber le matériau. Deux approches ont été testées : une première reliant le produit T₂*·M₀ à la teneur en eau, et une seconde simplifiée basée sur le signal au premier temps d’encodage (75 µs) permettant d’établir un lien direct entre le signal IRM et la teneur en eau. Ces mesures offrant une résolution spatiale de 1,1 mm permettent d’obtenir une visualisation continue de l’humidité, nettement plus détaillée que celle obtenue dans les essais en colonne permettant la détermination de la courbe de conductivité hydraulique saturée en quelques heures. Des cycles thermiques ont également été appliqués aux colonnes de sol en conservant la surface ouverte ou confinée afin d’évaluer la réversibilité des transferts. Les analyses des flux hydriques et des pressions de vapeur montrent que les gradients thermiques induisent des redistributions internes d’humidité qui ne peuvent être négligées, similaires à celles qui seront susceptibles de se produire à proximité des échangeurs de chaleur souterrains. Enfin, une modélisation numérique a été conduite avec HYDRUS-1D selon une approche inverse pour reproduire les essais expérimentaux et approfondir la compréhension des mécanismes thermo-hydriques. Un paramétrage rigoureux du modèle a permis de restituer correctement les comportements isothermes. En revanche, en conditions non isothermes, le modèle reproduit les tendances générales, mais ne permet pas d’analyse quantitative. Les transferts de vapeur sont largement sous-estimés. Des développements supplémentaires, notamment à l’aide d’un logiciel permettant de paramétrer explicitement le transport de vapeur et la rétention dépendante de la température, seraient nécessaires pour atteindre une modélisation pleinement prédictive. Ce travail combine observations expérimentales, imagerie IRM et modélisation numérique pour fournir un cadre d’analyse complet du comportement thermo-hydrique des sols non saturés, utile à la conception et à l’optimisation des systèmes de stockage thermique dans les sols.