Les moteurs à combustion interne utilisés pour propulser les véhicules routiers produisent des gaz à effet de serre, l’une des causes probables des changements climatiques actuellement observés partout sur la planète. L’utilisation de véhicules électriques représente une alternative intéressante à cette problématique. Grâce aux nouvelles générations de piles, il est désormais possible de recharger les véhicules électriques rapidement, ce qui peut favoriser leur adoption. Afin de réduire l’impact de cette recharge rapide sur le réseau électrique, une solution est d’emmagasiner de l’énergie lors de périodes creuses de consommation énergétique pour recharger les véhicules électrique rapidement lors des périodes de forte demande. La présente thèse fait état de travaux visant le développement d’un système de stockage inertiel d’énergie à moyen terme destiné à cette problématique des véhicules électriques. La conception de ce type de système nécessite l’étude de plusieurs domaines du génie mécanique et du génie électrique. Les recherches présentées dans cette thèse s’intéressent principalement à la dynamique des rotors, à la mécanique des matériaux et aux roulements magnétiques passifs. Plusieurs outils théoriques ont été développés pour prévoir le comportement dynamique du système et pour prédire les contraintes internes induites par la rotation. Plusieurs parmi ceux-ci ont été validés théoriquement grâce à des cas présentés dans la littérature, ainsi qu’expérimentalement à l’aide d’un système de stockage expérimental original. Ce dernier a aussi été utilisé pour valider plusieurs concepts théoriques de la dynamique des rotors qui sont peu discutés dans la littérature, c’est-à-dire l’influence des imperfections des roulements magnétiques passifs radiaux et du moteur à aimants permanents sur le comportement du système. Pour ce faire, des roulements magnétiques passifs radiaux réduisant les pertes mécaniques dans le système ont été conçus, fabriqués et caractérisés en utilisant une méthodologie novatrice. Il a été démontré expérimentalement qu’il est possible d’utiliser le principal défaut de ce type de roulements, c’est-à-dire leur instabilité, afin de réduire les pertes induites par une butée axiale à bille. Finalement, les premières étapes du développement d’un composite lourd utilisant l’acier comme renfort sont présentées. Mots-clés : Dynamique de rotor; Roulement magnétique passif; composite lourd; renfort d’acier; validation expérimentale; Moteur synchrone à aimants permanents; Stockage inertiel. / Internal combustion engines used to propel road vehicles produce greenhouse gases, one of the probable causes of global warming, a phenomenon currently observed everywhere on the planet. The use of electric vehicles is an interesting alternative to reduce the production of those gas emissions. New battery technologies enable rapid electric vehicles recharge, a feature which might increase their adoption. In order to reduce the impact of this rapid charging on the grid, an attractive solution is to store energy during periods of low consumption and then use it rapidly to recharge the onboard batteries during high demand periods. This thesis reports the work aimed at the development of a flywheel energy storage system that would solve this problem for electric vehicles. The design of such a system requires the study of multiple disciplines related to both mechanical and electrical engineering. The areas of research presented in this thesis are rotor dynamics, materials strength and behavior and passive magnetic bearings. Several theoretical tools were developed in order to predict the behavior of the system during operation and to estimate the internal stresses induced by the rotation. These tools were theoretically validated using reference cases presented in the literature and experimentally with the help of an actual storage system developed for this research. This system was also used to validate several rotor dynamics theoretical concepts that are rarely discussed in the literature, namely the influence of the imperfections in the passive magnetic bearings on the behavior of the system. To achieve this study, radial passive magnetic bearings were developed, fabricated and characterized using a novel technique. It has been demonstrated that it is possible to use the main flaw of this type of bearing, its instability, to reduce the mechanical losses induced by the mechanical thrust bearing. Finally, the first steps of the development of a new heavy composite that uses steel wires as reinforcement are presented. Keywords: Passive magnetic bearing; Rotor dynamics; Heavy composite; Steel reinforced plastics; Experimental validation; Permanent magnet synchronous motor; Flywheel energy storage.

Ces dernières années, les paliers magnétiques sont de plus en plus exploités dans des applications diverses. Ils sont généralement utilisés dans des applications à très haute vitesse de rotation, dans lesquelles la minimisation des pertes est requise pour éviter la pollution d’un environnement sensible à la poussière ou à un lubrifiant pour supprimer les vibrations et pour limiter la maintenance. Cette thèse présente l’étude de deux configurations de centreurs magnétiques  centreurs magnétiques actifs et hybrides polarisés utilisés dans un système de stockage d’énergie de longue durée par volant d’inertie. Dans plusieurs applications utilisant les centreurs magnétiques, les pertes magnétiques sont généralement négligées. Dans une application de stockage d’énergie de longue durée, toute source de pertes doit être prise en compte lors du dimensionnement de ces derniers. Nous avons proposé une méthode de calcul de pertes dans les deux configurations de centreurs supportant un volant d’inertie soumis à une force radiale de balourd. Après comparaison il en est ressorti que le centreur magnétique hybride polarisé présente moins de pertes Joule que le centreur magnétique actif, tandis que les pertes magnétiques du centreur magnétique actif sont inférieures à celles des centreurs hybrides polarisés. Le temps de décharge du volant supporté par les centreurs actifs est très inférieur à celui du volant supporté par les centreurs hybrides polarisés. Pour une application de stockage de longue durée, l’utilisation des centreurs magnétiques polarisés selon notre étude semble la plus appropriée. De même, notre étude a montré que le stockage d’énergie par volant d’inertie favorise les hautes vitesses de rotation, et ce quelle que soit la configuration de centreur utilisée. En d’autres termes, le temps de décharge du volant augmente avec la vitesse maximale d’opération du volant. / Nowadays, magnetic bearings are increasingly used in diverse applications. They are generally used in high speed rotating systems where low losses are requested, to avoid dust or lubricant in sensitive environments, for vibration elimination and to limit maintenance. This thesis presents the study of two magnetic bearings configurations  radial active magnetic bearings and hybrid radial magnetic bearings used in a long term flywheel energy storage system. In several applications involving magnetic bearings, iron losses are usually neglected. In a long term energy storage application every single loss has to take into account when designing the latters. We have proposed a loss calculation method of two magnetic bearings configurations supporting a flywheel submitted to an unbalance radial force. After some comparisons it emerges that hybride radial magnetic bearings present lower copper losses than active radial magnetic bearings, while iron losses are lower in active magnetic bearings than in hybride magnetic bearings. The flywheel discharge time supported by radial active magnetic bearings is much lower than the one supported by hybrid radial magnetic bearings. According to our study, utilization of hybrid radial magnetic bearings in long term energy storage seems to be more appropriated. Likewise, our study has shown that no matter the configuration of magnetic bearing used, flywheel energy storage promote the high rotating speeds. In other words the discharge time increases with the flywheel’s maximum operating speed.

« Thèse en cotutelle, Université Laval et Université catholique de Louvain » / Dans le cadre de la transformation des systèmes électriques induite par le passage en cours aux énergies renouvelables, il est crucial de trouver des moyens efficaces pour équilibrer l'offre et la demande d'électricité. Le stockage d'énergie joue un rôle clé pour relever ce défi et, parmi les technologies établies, le stockage d'énergie par pompage-turbinage se distingue comme étant le plus mature et le plus répandu. Cependant, il existe encore un potentiel inexploité et une marge d'amélioration significative dans ce domaine, grâce à l'exploration de nouveaux sites et à l'adoption de technologies innovantes qui améliorent encore la flexibilité de ce type de stockage. Dans ce contexte, cette thèse de doctorat examine les aspects technico-économiques du pompage-turbinage, en se concentrant sur des systèmes à plus petite échelle, pouvant fonctionner à vitesse de rotation variable. En examinant les aspects économiques et les considérations technologiques de ces systèmes, la présente recherche apporte un éclairage précieux sur les solutions de stockage de l'énergie dans le paysage dynamique de la transition énergétique. Tout d'abord, la valeur historique du stockage d'électricité est évaluée sur les marchés de l'énergie dans les pays de l'UE-28, la Norvège, la Suisse et la Turquie. Des analyses de sensibilité sont effectuées, mettant en avant l'impact du rendement de cycle et de la capacité de stockage. Les résultats révèlent des variations significatives de la valeur d'arbitrage du stockage, à la fois géographiquement et temporellement, le rendement de cycle ayant un impact majeur sur la valeur d'arbitrage et la capacité de stockage ayant une valeur marginale très faible au-delà de 4 à 6 heures. En outre, l'impact des frais de réseau variables sur la valeur d'arbitrage est étudié, dans le cas spécifique de la Belgique. Les résultats de valorisation montrent que les frais de réseau peuvent diminuer la valeur d'arbitrage du stockage de 20% à 50% et qu'ils peuvent également réduire considérablement la participation du stockage dans les marchés de l'énergie. Deuxièmement, les systèmes de pompage-turbinage sont présentés, ainsi que les phénomènes de cavitation qui se produisent dans la machine hydraulique mise en œuvre dans ces systèmes. Cette spécificité des systèmes de pompage-turbinage joue un rôle crucial dans la définition des plages de fonctionnement limitées associées à cette technologie, tout en expliquant les avantages d'un fonctionnement à vitesse de rotation variable. Alors que les systèmes de pompage-turbinage sont historiquement opérés à vitesse de rotation fixe, les progrès récents en électronique de puissance ont ouvert la voie à un fonctionnement à vitesse variable. Aussi bien dans les nouvelles installations que dans les projets de mise à niveau de centrales de pompage-trubinage existantes, il est désormais envisagé de faire fonctionner une ou plusieurs unités à vitesse variable. Le lecteur est guidé dans les aspects techniques de la technologie à vitesse variable et ses avantages sont expliqués et illustrés dans le cas de trois topologies, l'une d'entre elles étant un système innovant de petite unité de pompage-turbinage. Troisièmement, les possibilités de contrôle de la puissance offertes par la vitesse variable sont étudiées dans le cas d'un système reposant classiquement sur une pompe-turbine réversible de type Francis, ainsi que dans le cas innovant susmentionné. La modélisation et la simulation des effets hydro-électromécaniques transitoires dans les systèmes de pompage-turbinage sont effectuées et illustrent la dynamique électrique élevée réalisable grâce à la vitesse variable. Le cas innovant de la petite unité de pompage-turbinage est poussé plus loin avec une analyse de stabilité, révélant les limites associées à une stratégie de contrôle de puissance trop exigeante. / In the midst of the ongoing transformation in power systems driven by the shift to renewable energy, finding effective ways to balance electricity supply and demand is crucial. Energy storage plays a pivotal role in addressing this challenge, and among the established technologies, pumped hydro energy storage (PHES) stands out as the most mature and widespread. There is however still significant untapped potential and room for improvement in PHES, by exploring new sites and adopting innovative technologies further improving the flexibility of this storage type. Within the the above-mentioned context, this Ph.D. thesis delves into the techno-economic aspects of PHES, with a specific focus on smaller systems that can operate at variable rotational speed. By examining the economic considerations and technological intricacies of these systems, the present research contributes valuable insights to the ongoing discourse on energy storage solutions in the dynamic landscape of the energy transition. First, the historical value of electricity storage is assessed on energy markets across the EU-28 countries, Norway, Switzerland, and Turkey. Sensitivity analyses are carried out with respect to the round-trip efficiency and storage duration. The results reveal significant variations in storage value from arbitrage, both geographically and temporally, with round-trip efficiency having a major impact on arbitrage value and storage duration having very low marginal value beyond 4 to 6 hours. Additionally, the impact of variable grid fees on arbitrage value is investigated, in the specific case of Belgium. The valuation results show that grid fees can decrease storage arbitrage value by 20% to 50%, and that they can also dramatically decrease storage participation in energy markets. Second, PHES systems are introduced together with the cavitation phenomena arising in the hydraulic machine involved in those systems. This specificity of PHES plays a crucial role in shaping the limited operating ranges associated with this technology, while it also explains the benefits of operating at variable rotational speed. While PHES systems have historically been operated at fixed rotational speed, recent advancements in power electronics have opened the door to variable-speed operation. In both new installations and the repowering of existing PHES projects, there is now consideration given to operating one or more units at variable speed. The reader is guided into the technicalities of the variable-speed technology and its benefits are explained and illustrated in the case of three topologies, one of them being an innovative system for small-scale PHES. Third, the power control possibilities brought by the variable speed are investigated in the case of a system classically relying on a reversible Francis pump-turbine, as well as in the aforementioned innovative case. Modelling and simulations of hydro-electromechanical transients in PHES systems are performed, and illustrate the high electrical dynamics achievable through the variable-speed technology. The innovative small-scale PHES system is pushed one step further with a stability analysis, revealing the limitations associated with a too demanding power control strategy.