Les doublets géothermiques sur aquifères superficiels jouent un rôle important en France pour le chauffage, le rafraichissement et la production d’eau chaude sanitaire des bâtiments. La pérennité de ces installations est cependant conditionnée par la possibilité de pouvoir garantir dans le temps la production puis la réinjection de l’eau souterraine. Le colmatage de la boucle géothermale est un problème majeur qui affecte de nombreuses installations sur l’ensemble du territoire français et remet en cause leur viabilité technico-économique. La compréhension et la prédiction de ce phénomène nécessite de nouveaux moyens de caractérisation et de modélisation des processus biogéochimiques couplés au fonctionnement des boucles géothermales dans des environnements de subsurface hétérogènes. Cette thèse a ainsi fait l’objet d’une nouvelle collaboration entre le laboratoire Géosciences Rennes et l’entreprise Antea group pour identifier les mécanismes à l’origine de ces phénomènes de colmatage et d’en caractériser les paramètres influents dans le but de construire un outil d’analyse des risques permettant l’anticipation de ces processus de colmatage. Le premier volet de la thèse expose la synthèse des typologies de colmatage (biogéochimique, chimique, biologique et physique). Cette synthèse est issue de l’étude de la littérature sur la problématique de colmatage des forages d’eau et des retours d’expérience concernant les doublets géothermiques recensés et étudiés durant cette thèse. Le second volet présente les inventaires régionaux des problématiques de colmatage recensées en France dans différents contextes hydrogéologiques. Ces inventaires ont permis de délivrer un état des lieux à grande échelle de la problématique de colmatage et d’étudier les contextes associés à chaque type de colmatage. Dans le troisième volet, de nouvelles méthodologies de caractérisation in-situ des phénomènes de colmatage biogéochimique liés à l’oxydation du manganèse et du fer sont présentées. Elles ont été développées dans le cadre de ces travaux de thèse à partir des investigations menées sur différents sites confrontés à des problèmes d’exploitation. Ces méthodologies d’investigations pluridisciplinaires couplent la mesure des propriétés hydrauliques, des concentrations en éléments chimiques et de la diversité microbienne afin d’identifier la problématique impactant le fonctionnement de l’installation et d’en définir in fine les causes. Le quatrième volet expose les résultats d’une campagne de terrain effectuée sur un doublet géothermique impacté par un processus de colmatage biogéochimique. Cette campagne a permis d’identifier les composantes clés de la réactivité biochimique impliquée dans le colmatage : distribution du flux, hétérogénéité chimique et diversité microbiologique. A l’aide du code de calcul PHREEQC, un modèle géochimique simulant les cinétiques de précipitation observées a été développé. Il permet l’étude quantitative des mécanismes biogéochimiques favorisant l’apparition rapide du colmatage. Enfin, les retours d’expériences de l’exploitation des doublets sur nappes superficielles ont démontré le besoin d’une méthodologie fiable d’analyse des risques, permettant d’anticiper l’apparition des processus de colmatage à chaque étape de la vie du projet. Ainsi, à partir de la synthèse de la littérature scientifique et technique et des conclusions des études menées durant cette thèse, les facteurs de risques d’apparition des phénomènes de colmatage ont été déterminés. L’analyse des risques de colmatage intégrant ces différents facteurs a été implémentée à travers l’élaboration de méthodes développées sous Python 3. L’outil ARCADE (Analyse des Risques de Colmatage et Aide à la Décision) a été conçu d’une part pour évaluer le risque et d’autre part pour informer l’utilisateur averti des bonnes pratiques et moyens préventifs. Ces bonnes pratiques d’analyse et de gestion préventive sont présentées dans le dernier volet de cette thèse. / The sustainability of geothermal systems using shallow aquifers for heating, cooling and hot water production depends on the possibility to ensure, over long time-scales, the production and the reinjection of groundwater in the aquifer. Clogging of the geothermal loop is a major issue affecting the technical and economic viabilities of numerous operations in France. The understanding and prediction of this phenomenon requires new methods of characterization and modelling of biogeochemical processes coupled to the operation of geothermal loops in heterogeneous subsurface environments. This thesis is thus the result of a new collaboration between the Géosciences Rennes lab and Antea group to identify the mechanisms at the origin of clogging phenomena and characterize their controlling parameters, in order to establish a risk assessment tool allowing the anticipation of clogging processes. The first part of the thesis describes the main clogging processes (biogeochemical, chemical, biological and physical). This synthesis is the result of (1) the study of the literature dealing with the clogging of water wells and (2) our feedbacks on the geothermal doublets identified and studied during this thesis. The second part presents the regional inventories of shallow geothermal systems impacted by clogging problems identified in different hydrogeological contexts in France. These inventories provide a large-scale perspective of clogging phenomena and allow to study the contexts associated with each type of clogging processes. In the third part, new methodologies for the in-situ characterization of biogeochemical clogging phenomena linked to manganese and iron oxidation are presented through case studies of sites affected by clogging issues. These interdisciplinary studies couple the measurement of hydraulic properties, chemical element concentrations and bacterial diversity, to identify the specific issue impacting the operation and to define its causes. The fourth part presents the results of an interdisciplinary field campaign carried out on a geothermal doublet impacted by a biogeochemical clogging process. This campaign documented the key components involved in mixing induced biogeochemical reactivity: flow distribution, chemical heterogeneity and microbiological diversity. Using PHREEQC, a geochemical model simulating observed kinetics of precipitation was developed in order to quantitatively explore the biogeochemical mechanisms favoring rapid clogging. Feedback from shallow geothermal systems operation has demonstrated the need for a reliable risk analysis methodology that allowed to anticipate the apparition of clogging processes at each stage of the project life (part 5). From the synthesis of the scientific & technical literature and the conclusions of the studies carried out during this thesis, the risk factors for the appearance of clogging phenomena were determined. A clogging risk analysis integrating these factors was implemented through the development of methods developed under Python 3. The methodology of the ARCADE tool (Analyse des Risques de Colmatage et Aide à la Décision) is designed to assess the risk and to inform users of good practices and preventive methods. These good practices for analysis and preventive methods are presented in the last part of this thesis.

Au moins 30% de l'énergie produite par les moteurs à combustion interne est dissipée sous forme de chaleur dans les gaz d'échappement. L'intérêt des constructeurs pour les systèmes de récupération de chaleur bases sur le cycle thermodynamique de Rankine est justifié par des réductions de consommation espérées entre 5 et 10%. L'ambition de cette thèse est de contribuer à lever les principaux verrous liés à la gestion des procédés Rankine pour des applications ≪ mobiles ≫. Ce manuscrit s'appuie sur trois cas d'étude avec, pour chacun, un procédé pilote destiné à être intégré respectivement sur des véhicules légers à moteur essence, sur des camions poids-lourds et sur des trains à propulsion hybride Diesel électrique. Pour cela, des approches de l'automatique à base de modèle ont été développées. Une nouvelle loi de commande non-linéaire, permettant l'asservissement de la température et de la pression en sortie d'évaporateur, est proposée. Il est montré expérimentalement que le système peut être maintenu dans des conditions permettant la récupération d'énergie sans discontinuer, même sur des cycles routiers très dynamiques. La supervision énergétique du cycle de Rankine à bord d'un véhicule est ensuite abordée. Il s'agit de trouver les consignes pour la commande rapprochée qui permettent de maximiser l'efficacité énergétique d'un véhicule équipé d'un système de récupération d'énergie par cycle de Rankine. Il est montré que le gain énergétique apporté par l'optimisation dynamique temps réel proposée est important, comparé à une stratégie basée sur l'optimisation statique du système habituellement employée dans la littérature / More than 30% of the energy produced by internal combustion engines (ICE) is dissipated as heat through the exhaust gases. The interest of manufacturers in heat recovery systems based on the thermodynamic Rankine cycle is justified by announced reductions in fuel consumption ranging from 5 and 10% depending on the system and the driving cycle. The aim of this thesis is to help remove the main barriers associated with supervising and controlling Rankine processes for ≪ mobile ≫ applications. This dissertation is based on three study cases, each corresponding to a pilot process installed in engine test benches at IFP Energies nouvelles (IFPEN). These are applications to be integrated respectively on board light-duty vehicles with spark-ignition engine, heavy-duty trucks and trains with Diesel-electric propulsion. An original nonlinear (model-based) control law for the temperature and the pressure tracking at the evaporator outlet is proposed. It is shown experimentally that the system can be maintained under conditions allowing continuous energy recovery, even during highly transient road cycles. Then the supervision of Rankine systems is addressed, resulting in the choice of optimal set-points (in term of energy management) for the low-level controller. An optimal control problem is formulated, allowing online implementation via dynamic real-time optimization.The proposed approach is validated on a realistic simulator, showing significant benefits in the amount of energy recovered when compared with the classical (static) approach found in Rankine cycle literature

Les transferts de chaleur par convection forcée turbulente dans une conduite plane partiellement remplie par un milieu poreux sont étudiés numériquement. L’étude concerne l’analyse de l’encrassement dans un canal plan représentatif d’un échangeur de chaleur à plaques. Un fluide, ayant un fort pouvoir encrassant, est considéré en régime turbulent. L’objectif de cette étude est de proposer une technique qui repose sur l’utilisation de matériaux fibreux comme capteur de particules pouvant réduire les méfaits de l’encrassement. Cela consiste à essayer de réduire la résistance d’encrassement en agissant sur les propriétés thermiques du dépôt. L’étude de la cinétique de l’encrassement permet de déterminer la loi de variation de l’épaisseur du dépôt au cours du temps. Cette équation est couplée aux équations de conservation. Un modèle de conductivité thermique effective (fluide, dépôt, fibres poreuses) a été choisi et le phénomène de colmatage de la matrice poreuse est considéré. L’apport du milieu poreux sur les performances de l’échangeur est analysé / A numerical study is carried out to investigate the forced convection heat transfer induced by a turbulent flow in a parallel plate channel partly filled with a porous or fibrous material. The study involves the analysis of fouling in a plate heat exchanger, represented by a parallel plate channel with a high fouling potential liquid flow in turbulent regime. The objective is to come out with a technical solution that relies on the use of fibrous materials capability to capture deposited particles, and therefore to reduce the fouling impacts within heat exchangers. This solution focuses on reducing the fouling resistance on wall surfaces by modifying the thermal properties of the deposit. The deposit thickness evolution is obtained through a kinetics model of fouling, which is coupled to the conservation equations. An effective thermal conduction model (liquid, deposit, porous material) is selected in order to account for fouling within the porous matrix. The benefits of porous material on heat exchanger performance are analyzed

Dans le contexte énergétique français actuel, deux principaux enjeux émergent. À court terme, des pointes de consommation électrique croissantes sont observées les dernières années pendant la période hivernale. Ces pointes sont fortement liées au chauffage électrique et ont des conséquences économiques, environnementales et sociales importantes. Dans un long terme, des objectifs environnementaux ambitieux ont été fixés au niveau national et européen, nécessitant la technologie de stockage thermique et une gestion efficace de l'environnement bâti. Les Matériaux à Changement de Phase (MCP) ainsi que les dispositifs de type échangeurs thermiques offrent des résultats promettant grâce au stockage thermique et le déplacement des consommations. Dans ce cadre, l’objectif de cette thèse est de développer des solutions de déplacement des consommations énergétiques qui prennent en compte le confort thermique des occupants et la qualité de l’air intérieur. Pour ce faire, deux outils sont nécessaires: un échangeur thermique expérimental (prototype) et un modèle numérique capable de simuler son comportement. L'échangeur contient du MCP macroencapsulé (paraffine) et est conçu de manière à faciliter son intégration dans un système de ventilation. Il a comme but de décaler la consommation due au chauffage électrique vers la période hors pointe. Le dispositif a été caractérisé expérimentalement lors des cycles thermiques complets (charge et décharge) en utilisant une quantité importante de capteurs. Il a ensuite été couplé à une cellule expérimentale, afin de tester des stratégies de contrôle préliminaires. Le modèle numérique est basé sur la discrétisation spatiale et l’établissement du bilan de chaleur des couches considérées, la méthode de la capacité thermique apparente, ainsi que l’utilisation des différences finies. Après validation à l’aide des données expérimentales, le modèle a été utilisé pour optimiser la performance de l'échangeur. Plusieurs paramètres ont été étudiés, y compris les dimensions de l'échangeur, la quantité et les propriétés du MCP, en cherchant la configuration avec le compromis optimal entre la chaleur emmagasinée et le temps nécessaire pour la charge et la décharge. Le modèle numérique a été couplé à un modèle de simulation du bâtiment et un logement de 80m2 a été conçu pour la mise en oeuvre et l'évaluation des stratégies de contrôle, en investiguant différents scénarios sur une période hivernal d’un mois. Les scénarios varient avec une complexité croissante, d'abord en considérant l’effacement énergétique et le confort thermique, ensuite en ajoutant le prix final de la consommation électrique et enfin en prenant compte la qualité de l'air intérieur avec la présence d'une famille de quatre personnes. 6 Cette étude a été menée dans le cadre d'un projet financé par l'Agence National de la Recherche (Stock-Air: ANR-Stock-E) et a également été soutenu par le ministère de l'Ecologie, du Développement durable et de l'Energie. / Considering the current French energy context, two major challenges are emerging. In the short term, significant peak power consumption has been observed in the past few years during the winter season. These peaks are strongly linked to electrical space heating and have important economic, environmental and social implications. In the long term, ambitious environmental goals have been set at national and European levels, requiring thermal storage technology and efficient management of the built environment. As part of the solution, Phase Change Materials (PCM) and heat exchanger applications offer promising results through thermal storage and load shifting techniques. Within this framework, the objective of this thesis is to develop load shifting solutions which also take into account the thermal comfort of the occupants and the indoor air quality. To achieve this, two tools were necessary: an experimental heat exchanger unit (prototype) and a numerical model that accurately simulates its behavior. The exchanger contains macroencapsumated PCM (paraffin) and is conceived in a way that facilitates its integration in a ventilation system. It is aimed to shift space heating electrical consumption from peak to off-peak period. The unit was experimentally characterized, using an important amount of sensors through full thermal cycles (charging and discharging) and was coupled to an experimental test cell, which led to the testing of preliminary control strategies. The numerical model is based on the heat balance approach and the apparent heat capacity method, using finite differences for differential equation solution under Matlab/Simulink environment. After validation with experimental data, the model was used to optimize the performance of the exchanger. Several parameters were investigated, including heat exchanger dimensions, PCM quantity and properties, seeking the configuration with the optimal compromise between stored heat and the time needed for the charging / discharging process. The numerical model was coupled to a building simulation model and an 80m2 dwelling was conceived for control strategies implementation and evaluation, by investigating different scenarios over a one- month winter period. The scenarios vary with increasing complexity, first considering load shifting and thermal comfort, then adding the final price of electricity consumption and finally taking into account the indoor air quality with the presence of a four-person family. This study has been conducted within the framework of a project funded by the French National Research Agency (Stock-Air: ANR-Stock-E) and was also financially supported by the French Ministry of Sustainable Development.

Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans le cadre de la mise en place d’une méthodologie innovante de gestion thermique globale des véhicules automobiles. Ils portent plus particulièrement sur l’analyse de la réduction des émissions de polluants et l’amélioration des performances énergétiques d’un moteur à combustion, notamment dans les charges partielles ou en régime transitoire. Le premier objectif vise la mise en évidence de l’effet de la température d’admission sur le fonctionnement du moteur. Le deuxième objectif est relatif à la prédiction de l’apparition des phénomènes de condensation inhérents aux procédés de recirculation des gaz d’échappement à l’admission moteur. Enfin le troisième objectif est la modélisation et la mise en œuvre d’un circuit d’eau refroidit par la boucle de climatisation dont la fonction est de sous refroidir les gaz d’admission du moteur. Le premier chapitre est consacré à la présentation du système thermique véhicule et de la démarche de conception en V adoptée dans ce travail. Dans le second chapitre, et après avoir mis en évidence les effets d’un sous refroidissement des gaz admission sur le rendement thermodynamique du moteur, on montre à l’aide d’une étude technologique et numérique de la boucle de climatisation qu’il est possible d’opérer ce refroidissement par un système embarqué capable de se régénérer thermiquement lors d’un freinage. Le troisième chapitre est dédié à la modélisation du système à l’aide d’une modélisation énergétique centrée sur l’utilisation du langage bond graph. Le dernier chapitre est dédié au volet expérimental afin de valider d’une part le modèle de condensation et d’autres part un démonstrateur d’hybridation thermique et ses stratégies de pilotage / The work of this thesis is part of the development of an innovative methodology in the field of global thermal management for motor vehicles. It focuses specifically on the analysis of the reduction of pollutant emissions and improving energy efficiency of a combustion engine, especially in partial load or transient operation. The first objective is to analyze the effect of inlet temperature on the engine performance. The second objective relates to the prediction of the condensation processes inherent to exhaust gas recirculation into the engine intake. Finally, the third objective is the modeling and implementation of a water circuit cooled by the air conditioning loop and whose function is to cool the gases in at the engine intake.The first chapter is devoted to the presentation of the vehicle thermal management system and the design process adopted in this work. In the second chapter, after having shown the effects of intake gas cooling on the thermodynamic efficiency of the engine, it is shown with a numerical and technological study of the air conditioning loop that is possible to operate an onboard cooling system that is capable of regenerating heat when braking. The third chapter focuses on system modeling using an energy modeling focuses on the use of bond graph language. The final chapter is dedicated to the experimental part with the objective of validating the model of gas condensation and a demonstrator of thermal hybridation and its control strategies