La Directive européenne et les politiques de prévention du changement climatique conduisentà un développement important des Énergies Renouvelables pour la production d'électricité. Cecontexte politique est en train d'induire l'insertion massive de production intermittente d'origineéolien dans les réseaux électriques. Pour répondre à la question des limites de l'intégration de l'éoliendans les réseaux électriques, nous nous appuyons sur l'étude des aspects technique et économiques.Dans ce cadre, cette thèse s'intéresse d'une part à l'étude de l'efficacité des dispositifs d'incitationéconomique du point de vue de leur efficacité à stimuler la croissance de l'énergie éolienne et d'autrepart, aux problématiques techniques de court et long terme liées à l'intermittence de l'éolien. Dans lecourt-terme, les problèmes du réseau électrique ainsi que les ajustements dans le marché del'électricité sont abordés. Dans le long terme, l'impact de l'éolien sur la sûreté de fonctionnement estévalué au moyen d'un algorithme de calcul du crédit de capacité de l'éolien.

Le siècle dernier a été le siècle de la révolution technologique. Les combustibles fossiles ont alimenté cette révolution technologique. Les défis auxquels notre société est confrontée, que ce soit le changement climatique ou la situation énergétique mondiale ou l’épuisement des réserves de combustibles fossiles, sont les défis les plus graves auxquels sont confrontés toutes les générations. L'énergie renouvelable est considérée comme la clé des problèmes énergétiques de notre société. De nombreuses technologies innovantes se font concurrence pour alimenter la prochaine révolution énergétique. Sources d'énergies renouvelables telles que l'énergie solaire, l'énergie éolienne, la biomasse, l'hydroélectricité, l'énergie géothermique, etc. Presque tous sont saisonniers, et sont donc des sources d'énergie discontinues et non uniformes. Ils ont également une limitation en termes de choix des sites de production et, en général, nécessitent de grandes étendues de terre pour les plantes, ce qui conduit à une faible densité de puissance par unité de surface.Néanmoins, l'énergie éolienne et solaire a beaucoup attiré l'attention au cours des dernières décennies. Cependant, pour que le monde passe complètement des énergies fossiles et de l’énergie nucléaire à l’énergie éolienne et solaire, il est nécessaire de développer de nouveaux types de systèmes capables de générer de l’énergie à moindre coût avec moins de contraintes de sélection de sites.Dans la quête de la source d'énergie pérenne. Notre société se tourne vers la communauté scientifique pour des solutions innovantes. Cette thèse est une étape vers la recherche de solutions innovantes à nos problèmes énergétiques. Les systèmes d'énergie éolienne à haute altitude (HAWE) ou plus communément appelés systèmes éoliens aéroportés (AWES) sont considérés comme la réponse aux besoins énergétiques des générations futures. L'énergie éolienne aéroportée (AWE) est un concept innovant visant à utiliser l'énergie des courants de vent à haute altitude, car les courants de vent à haute altitude sont presque uniformes dans le monde entier et AWES peut pratiquement être installé partout dans le monde. De plus, les systèmes AWE proposés nécessitent moins de matériau de structure. Ils devraient donc être beaucoup moins chers que toute autre source d’énergie disponible. AWE est donc une perspective prometteuse dans cette quête pour trouver une solution à nos problèmes énergétiques.Dans ce travail, la faisabilité des systèmes d'énergie éolienne aéroportés basés sur Magnus est explorée. Le travail présente en détail un bref historique des systèmes d'énergie éolienne aéroportés et des concepts de base nécessaires pour développer une compréhension de la technologie AWE. Il examine en détail les systèmes aéroportés basés sur Magnus et donne une perspective historique sur les machines basées sur l’effet Magnus. Il présente en détail les propriétés aérodynamiques de l’effet Magnus et présente un modèle aérodynamique pour ces systèmes. Puisque la modélisation est un aspect important de toute technologie. Ce travail présente un modèle détaillé des systèmes AWE basés sur Magnus ainsi que les algorithmes de contrôle nécessaires au fonctionnement de tels systèmes. Les courbes de puissance sont des outils couramment utilisés pour analyser les systèmes d'énergie éolienne. Ce travail présente une approche pour la conception de courbes de puissance pour les systèmes AWE afin d'analyser les capacités de production d'énergie des systèmes d'énergie éolienne aéroportés. / Last century has been the century of the technology revolution. Fossil fuels have fueled this technology revolution. The challenges faced by our society be it the climate change or the world energy situation or the depletion of fossil fuel reserves are the most grievous challenges faced by any generation. Renewable energy is believed to be the key to energy problems of our society. There are many innovative technologies competing against each other to fuel the next energy revolution. Renewables sources of energies such as solar, wind, biomass, hydropower, geothermal etc. Though promising but due to the high economic cost and limited application they are yet to prove their mass scale applicability. Almost all of them are seasonal, hence, are discontinuous and non-uniform sources of energy. They also have a limitation in terms of choice of plant sites, and generally, require large tracts of land for plants which lead to low power density per unit area.Nonetheless, Wind and Solar energy have attracted a lot of attention in the last few decades. However, for the world to fully shift from fossil fuels and nuclear energy to Wind and Solar power, it is necessary to develop new kind of systems which can generate continuous power at a lower cost with fewer site selection constraints.In the quest to find the perennial clean source of energy. Our society is looking towards the scientific community for innovative solutions. This thesis is one such step towards finding innovative solutions to our energy problems. High altitude wind energy systems (HAWE) or more commonly known as Airborne wind energy systems (AWES) are believed to be the answer to the energy needs of the future generations. Airborne wind energy (AWE) is an innovative concept aiming at utilizing the energy of the high altitude wind currents, as high altitude wind currents are almost uniform across the globe, and AWES can be practically set-up anywhere around the world. Also, the proposed AWE systems require less structural material. Thus, they are expected to be much cheaper than any other available energy source. Therefore, AWE is a promising prospect in this quest to find a solution to our energy problems.In this work, the feasibility of Magnus-based airborne wind energy systems is explored. The work presents in detail a brief history of Airborne wind energy systems and the basic concepts needed to develop an understanding about the AWE technology. It discusses in detail Magnus-based airborne systems and gives a historical perspective on the Magnus-effect based machines. It discusses in detail the aerodynamical properties of the Magnus effect and presents an aerodynamic model for such systems. Since modeling is an important aspect of any technology. This work presents a detailed model of the Magnus-based AWE systems along with the control algorithms required for the operation of such systems. A common tool used to analyze wind-based energy systems is power curves. This work presents an approach to design power curves for AWE systems in order to analyze the power producing capabilities of Airborne wind energy systems.

La Directive européenne et les politiques de prévention du changement climatique conduisentà un développement important des Énergies Renouvelables pour la production d'électricité. Cecontexte politique est en train d'induire l'insertion massive de production intermittente d'origineéolien dans les réseaux électriques. Pour répondre à la question des limites de l'intégration de l'éoliendans les réseaux électriques, nous nous appuyons sur l'étude des aspects technique et économiques.Dans ce cadre, cette thèse s'intéresse d'une part à l'étude de l'efficacité des dispositifs d'incitationéconomique du point de vue de leur efficacité à stimuler la croissance de l'énergie éolienne et d'autrepart, aux problématiques techniques de court et long terme liées à l'intermittence de l'éolien. Dans lecourt-terme, les problèmes du réseau électrique ainsi que les ajustements dans le marché del'électricité sont abordés. Dans le long terme, l'impact de l'éolien sur la sûreté de fonctionnement estévalué au moyen d'un algorithme de calcul du crédit de capacité de l'éolien. / The development of Renewable Energy for electricity production has increased due to theEuropean policies and directives to prevent climate change. This political context is promoting amassive insertion of intermittent wind electricity production into electrical networks. There are stilldoubts about the limitations of integrating wind power into the electrical networks. For this reason,we focus on the study technical and economic aspects to approach these limitations. The firstpurpose of this research is to determine the effectiveness of the economical incentives policies inorder to stimulate growth in the wind power production. The second one is to evaluate the technicalproblems in the short and long term caused by the intermittency of wind power. In the short-term,the problems of power systems as well as the adjustments in the electricity market are discussed. Inthe long term, the impact of wind power reliability (in the network) is evaluated by using an algorithmto calculate the capacity credit of wind power.

Vehicle-to-Anything (V2X) est un terme générique qui explique l'utilisation de batteries de véhicules électriques pour obtenir une valeur supplémentaire lors de périodes de non-utilisation. Les services V2X génèrent des revenus de la batterie grâce à la charge dynamique monodirectionnelle (V1X) ou bidirectionnelle (V2X) afin de fournir des avantages au réseau électrique, de réduire la consommation énergétique des bâtiments et des maisons ou de fournir une alimentation de secours aux charges. Une méta-analyse du potentiel économique donne des résultats contradictoires avec la littérature et indique que la gestion de la consommation électrique, l'adéquation des ressources et le report de l’investissement dans le réseau ont plus de valeur que d’arbitrage sur les marchés d’énergie et réserve secondaire. Bien que je convienne que le développement soit pour et par le marché, je souligne que V2X se développera dans les limites du contexte réglementaire; les régulateurs ont donc un rôle de catalyseur à jouer.Une question importante est de savoir dans quelle mesure une utilisation supplémentaire de la batterie du véhicule affectera la capacité de la batterie au cours de sa durée de vie. Il est donc essentiel de comprendre les subtilités de la dégradation de la batterie pour estimer les coûts. Les batteries Li-ion sont des systèmes électrochimiques compliqués qui présentent deux phénomènes de dégradation simultanés, le vieillissement calendaire et le vieillissement cyclique. Dans les applications véhiculaires, le vieillissement du calendrier a tendance à être l’effet dominant de dégradation de la durée de vie, ce qui réduit le temps, élément le plus important de la dégradation; par conséquent, le coût de la dégradation dépend fondamentalement du temps.Une affirmation centrale de cette thèse est que le coût marginal de V2X n’est ni nul ni négligeable comme l’a accepté la littérature économique, mais dépend fortement de la dégradation de la batterie. Nous proposons ici une théorie des coûts marginaux V2X qui repose sur deux principes: 1.) il existe un coût d’efficacité associé au chargement de la batterie, et 2.) le véritable coût de dégradation de V2X prend en compte le coût d’opportunité, c’est-à-dire, la dégradation au-delà de ce qu’aurait été l’utilisation normale du véhicule.Avoir un concept clair du coût marginal de V2X, permet de comptabiliser et d’équilibrer correctement tous les coûts réels: coût de l’électricité, coûts d’efficacité du système et dégradation de la batterie. Cela permettra d’élaborer des stratégies de charge optimales et d’informer correctement les offres du marché de l’énergie. Il en résulte une compréhension plus nuancée des coûts marginaux. L’impact de la batterie V2X sur la vie de la batterie pourrait être considéré comme un coût, un bénéfice ou nul. Je conclus que le V2X peut offrir une valeur économique supérieure à celle précédemment entendue et que cette valeur supplémentaire sera réalisée grâce à l'amélioration simultanée de l'efficacité de la charge et de la réduction de la dégradation de la batterie EV. / Vehicle-to-Anything (V2X) is an umbrella term to explain the use of electric vehicle batteries to derive additional value during times of non-use. V2X services generate revenue from the battery asset through dynamic mono-directional (V1X) or bi-directional (V2X) charging to provide benefits to the electric grid, to reduce energy consumption of buildings and homes, or to provide back-up power to loads. A meta-analysis of economic potential gives results contradictory to the literature and indicates that Bill Management, Resource Adequacy, and Network Deferral are more valuable than Energy Arbitrage and Spinning Reserves. While I concur that development is of and by the market, I emphasize that V2X will develop within the constraints of the regulatory environment; therefore regulators have an enabling role to play.An important question is to what extent additional use of the vehicle battery will affect battery capacity over its lifetime, therefore understanding the intricacies of battery degradation is crucial to estimate costs. Li-ion batteries are complicated electrochemical systems which exhibit two concurrent degradation phenomena, Calendar Aging and Cycling Aging. In vehicular applications, Calendar Aging tends to be the dominating life degradation effect, which reduces to time being the most important component of degradation; therefore degradation cost is fundamentally time-dependent.A central claim of this dissertation is that gls{v2x} Marginal Cost is not zero nor negligible as the economic literature has accepted but is highly dependent on battery degradation. Herein, a gls{v2x} Marginal Cost Theory is proposed which is based on two main principles: 1.) there is an efficiency cost associated with charge operation, and 2.) the true gls{v2x} degradation cost takes opportunity cost into account, that is, only considers degradation beyond what would have been experienced by operating the vehicle normally.Having a clear concept of gls{v2x} Marginal Cost which can properly account for and balance all true costs: the cost of electricity, the system-efficiency costs, and battery degradation, will allow for development of optimal charge strategies and will properly inform energy market bids. This results in a more nuanced understanding of marginal costs as the resultant battery lifetime impact from gls{v2x} can be either be considered a cost, a benefit, or zero. I conclude that gls{v2x} may offer greater economic value than previously understood and that this additional value will be realized through the simultaneous improvement in charge efficiency and reduction of gls{ev} battery degradation.