PhD offer in Geothermal Hydrogeochemistry

Experimental validation of a thermo-hydrogeochemical standing column
well model: geochemical and isotopic approaches


Standing column wells (SWCs) are low-temperature geothermal systems (up to 500 m deep) that use groundwater as a heat transfer fluid to heat and cool buildings. In so doing, they are three times more efficient than traditional low-temperature geothermal systems, such as closed-loop wells, which comprise 90% of the installations in Canada. SCWs also have lower construction (2 to 5 times lower) and exploitation (on the order of 100,000 kWh/year per well lower) costs. Other than the financial benefits associated with SCWs, their main advantage is the possibility to integrate them into pre-existing buildings in dense urban settings, where closed-loop well installation is not possible. Nevertheless, despite their great potential, SCWs are rare in Canada, mainly due to the geochemical risks inherent to their use of groundwater in carbonate settings, such as Montreal and Toronto.

In recent years, Polytechnique Montreal has developed novel thermo-hydrogeochemical modeling approaches to simulate SCW operation and to anticipate related phenomena, such as mineral precipitation and dissolution occurring under diverse operation conditions (i.e., pressure, temperature, dissolved oxygen, water flow rate, etc.). These models have largely been validated using digital reference solutions, but have not had their validity confirmed by experimental validation to demonstrate their quality as conceptual tools available to the research and engineering community.

The proposed project aims to use isotopic hydrogeological approaches, uncommon in geothermal research, to quantify certain aspects key to optimizing SCW functioning in real-world settings. To achieve this, the candidate will have access to Polytechnique Montreal's mobile geothermal laboratory (MGL), the only facility of its kind in the world, designed to replicate the operation of a ten-floor building, as well as actual SCW installations in the Montreal area. S/He will thereby be able to acquire high quality, real-operation data, while controlling most boundary conditions of the system. The candidate will also have access to the analytical laboratories of the geochemistry and geodynamics research centre, GEOTOP, in order to carry out elemental (SF6) and isotopic carbon (13C), water (2H and 18O), strontium (2H and 18O), and radium (222Rn) analyses.

The project will consist of the following three main components:

  • Quantification of the SCW water renewal rate by the regional aquifer, which has a considerable influence on the geochemical composition of the well water, as well as on the SCW impact on groundwater quality.
  • Quantification of gas exchange with the atmosphere in the wellhead in response to temporary oversaturation within the SCW; these exchanges exert a strong control on precipitation-dissolution processes, and are expected to be better regulated by exchange with groundwater.
  • Quantification of calcite precipitation-dissolution kinetics within installations (heat exchange, pipes or wells); this in situ experimental component will allow these processes to be better constrained within highly variable well use dynamics.

The candidate will be supervised by Professor Paul Baudron (Polytechnique Montreal), and co-supervised by professors Florent Barbecot (UQAM-GEOTOP) and Philippe Pasquier (Polytechnique Montreal). S/He will also benefit from multidisciplinary training by specialists from the various disciplines necessary to successfully carry out the project, from which at least three publications are anticipated.

The ideal candidate should have bachelor and master's degrees in geological engineering, geology, hydrochemistry, hydrogeology, geochemistry, geothermics, or environmental chemistry. An education and experience in the chemical or physical sciences could also be considered, if the candidate demonstrates a strong interest in hydrogeology. Knowledge of isotopic geochemistry and/or geothermics would be advantageous. The candidate should be autonomous, flexible, proactive, and able to work well as part of a team.

Funding is available for three years, with an ideal start date of May 1, 2017. The start date is flexible, however, depending on the calendar of the selected candidate's university of origin.

To apply, please send your CV, motivation letter, and letters of recommendation by email to Prof. Paul Baudron of the Department of Civil, Geological, and Mining Engineering, Polytechnique Montreal (paul.baudron@polymtl.ca).

Polytechnique Montreal's mobile geothermal laboratory (MGL), the only facility of its kind in the world, designed to replicate the operation of a ten-floor building, as well as actual SCW installations

Illustration of a standing column well system. From Pasquier et al. (2016). Standing column wells. Advances in Ground-Source Heat Pump Systems. p. 269-294. DOI : 10.1016/B978-0-08-100311-4.00010-8



Offre de thèse de doctorat en géothermie - hydrogéochimie

Validation expérimentale d'un modèle thermo-hydro-géochimique de puits
à colonne permanente. Approches géochimique et isotopique.

Les puits à colonne permanente (PCP) sont des systèmes géothermiques de basse température (jusqu'à 500m de profondeur) qui utilisent l'eau souterraine comme fluide caloporteur afin de chauffer et climatiser des bâtiments. Ce faisant, ils sont jusqu'à trois fois plus efficaces que les systèmes géothermiques de basse température traditionnels, tels que les puits en boucle fermée qui représentent 90% des installations au Canada. Les PCP permettent également de réaliser d'importantes économies tant au niveau de la construction (2 à 5 fois) que des frais d'exploitation (de l'ordre de 100 000 kWh/an par puits). D'autre part, au-delà des gains financiers associés aux PCP, leur réel potentiel réside dans leur capacité à être intégrés aux bâtiments déjà construits en zones urbaines denses où l'installation de puits en boucle fermée n'est pas possible. Néanmoins, malgré leur potentiel élevé, les PCP sont peu utilisés au Canada en raison notamment des risques géochimiques potentiels inhérents à l'utilisation de l'eau souterraine en milieu carbonaté, telles les régions de Montréal et de Toronto.

L'École Polytechnique de Montréal a développé au cours des dernières années des approches novatrices de modélisation thermo-hydro-géochimique pour simuler l'opération d'un PCP et anticiper les phénomènes de précipitation/dissolution de minéraux au sein des installations, favorisées par les conditions d'opération (pression, température, oxygène dissous, vitesse de l'eau, etc.). Ces modèles ont été largement validés avec des solutions de référence numériques, mais n'ont pas fait l'objet d'une validation expérimentale qui permettrait de confirmer leur validité et de rassurer la communauté sur la qualité des outils de conception mis à leur disposition.

Le but du présent projet est d'utiliser des approches de pointe issues de l'hydrogéologie isotopique, inédites en géothermie, afin de quantifier certains aspects clés pour l'optimisation du fonctionnement d'un PCP en conditions réelles d'utilisation. Pour ce faire, le candidat aura accès au laboratoire mobile de géothermie (LMG) de Polytechnique Montréal, une installation unique au monde conçue pour reproduire l'opération d'un bâtiment d'une dizaine d'étages, couplée à des PCP installés à proximité de Montréal. Il pourra ainsi acquérir des données de haute qualité en conditions réelles d'opération, tout en contrôlant la majorité des conditions limites du système. Le candidat aura accès aux laboratoires analytiques du GEOTOP, centre de recherche en géochimie et géodynamique, pour réaliser les analyses élémentaires (SF6) et isotopiques du carbone (13C), de la molécule d'eau (2H et 18O), du strontium (87Sr et 86Sr) et du radon (222Rn).

Le projet s'articulera autour de trois axes principaux :

  • Quantification du taux de renouvellement de l'eau du PCP par l'aquifère régional: ce paramètre a une influence considérable sur la composition géochimique de l'eau du puits, ainsi que sur l'impact d'un PCP sur la qualité des eaux souterraines.
  • Quantification des échanges gazeux avec l'atmosphère en tête de forage en réponse aux sursaturations transitoires au sein du PCP: ces échanges exercent un contrôle fort sur les processus de précipitation-dissolution et devraient être mieux régulés par les échanges avec l'eau souterraine.
  • Quantification des cinétiques de précipitation-dissolution de la calcite au sein des installations (échangeur de chaleur, tuyaux ou puits) : cet axe expérimental in-situ permettra de mieux situer ces processus au sein d'une dynamique fortement transitoire d'utilisation des puits.

Le candidat sera supervisé par le professeur Paul Baudron (École Polytechnique de Montréal) et co-supervisé par les professeurs Florent Barbecot (UQAM-GEOTOP) et Philippe Pasquier (École Polytechnique de Montréal). Il bénéficiera ainsi d'un encadrement multidisciplinaire par des spécialistes des différentes disciplines requises pour mener à bien ses travaux. À l'issue de ses travaux, un minimum de trois publications scientifiques est attendu.

Le candidat recherché doit avoir un baccalauréat, maîtrise ou Master en génie géologique, en géologie, en hydrogéochimie, en hydrogéologie, en géochimie, en géothermie, ou en chimie environnementale. Un parcours équivalent dans les domaines chimiques ou physiques pourra être envisagé si le candidat montre un fort intérêt pour l'hydrogéologie. Des connaissances en géochimie isotopique et/ou en géothermie sont un atout. Le candidat devra être autonome, flexible, proactif, et être capable de travailler en équipe.

Financement assuré pour 3 ans, pour un début idéalement à partir du 1er mai 2017. Cette date est néanmoins adaptable en fonction du calendrier du système universitaire de provenance de l'étudiant.

Pour soumettre votre candidature, faites parvenir CV + lettre de motivation + lettres de recommandations par courriel à l'adresse suivante : Prof. Paul Baudron, Département des génies civil, géologique et des mines - École Polytechnique de Montréal, paul.baudron@polymtl.ca

posted: 18 January 2017     Please mention EARTHWORKS when responding to this advertisement.