Depuis 2004, l'Université de Paris Sud a établi une collaboration avec le département de Génie Électrique de la Faculté d'ingénierie de l'Université du Laos (UNL). La thématique de recherche concerne le pilotage de l'électronique de puissance pour la gestion de sources d'énergie renouvelable pour le Laos. Ainsi en 2009, le Gouvernement français a financé une bourse de thèse pour le développement d'un outil de pré-dimensionnement de la production électrique renouvelable pour les villages isolés au Laos. En effet, le réseau de transport et de distribution du Laos est déjà en tension compte tenu de l'explosion de la consommation dans les zones urbaines. Son extension aux zones rurales notamment dans les zones montagneuses représente un coût d'investissement beaucoup trop élevé. Par contre le pays bénéficie de ressources naturelles (hydrauliques, solaire et agricoles) dont l'exploitation judicieuse peut permettre le développement de la filière des énergies renouvelables. La production d'énergie électrique décentralisée (fermes solaires par exemple) nécessite une évaluation des ressources locales et un dimensionnement optimal de l'ensemble des constituants (sources, dispositifs de stockage, convertisseurs, etc.) et de l'architecture du mini ou micro réseau autonome.Cette thèse est organisée en 3 chapitres :Le chapitre 1 présente dans un premier temps le travail qui permit d'identifier les besoins et les ressources effectivement disponibles au Laos. Pour cela, un séjour de plusieurs semaines dans des zones rurales reculées du Nord-Ouest du Laos a été effectué. Cela a permis d'obtenir un profil de consommation standard, d'identifier les ressources et de relever les données des réseaux rudimentaires existants (puissance et configuration). Une importante recherche bibliographique sur les outils logiciels existants a ensuite été réalisée. Cela a permis de dimensionner et de simuler ces systèmes autonomes. Le chapitre 2 présente les limitations de ces outils de conception (absence de flexibilité dans les modèles utilisés et algorithmes d'optimisation trop contraints) et le développement dans l'environnement de Matlab-Simulink d'une bibliothèque de modèles des constituants du système d'énergie autonome. Les modèles sont réalisés pour faciliter un dimensionnement optimal du système selon des critères de coût, de disponibilité et de fiabilité. Un important travail d'étude bibliographique sur les architectures de réseaux a été réalisé et combiné à une synthèse des ressources et des besoins des milieux ruraux au Laos. Le chapitre 3 présente deux exemples de dimensionnement de systèmes de production d'électricité pour des sites isolés au Laos à partir d'énergie renouvelables. Le cahier des charges correspond à un village isolé de 50 maisons pour 130 habitants. Le critère économique est fondamental dans cette étude où l'optimisation cherche à réduire les coûts des constituants tout en satisfaisant les besoins en puissances des villageois. Différentes optimisations continue et hybrides (continu et entier) sont conduites en tenant compte de contraintes sur les sources. Des indicateurs de performance sont ainsi utilisés: "Loss of Power Supply Probability, Forced Outage Rates, Annualized Cost of System, Levelized Cost of Energy, etc.". / Since 2004, a collaboration between Université Paris Sud of France and the Department of Electrical Engineering Faculty of Engineering, National University of Laos (NUOL) has been carried out on the control of power electronics for the management of renewable energies source in Laos. Therefore in 2009, the French Government has funded a PhD thesis on the development of a designing tool for the early-sizing of renewable electricity production for isolated villages in Laos. This thesis report is organized in three chapters:Chapter I presents a short review of the status and development plans for the electrification of Laos. Then, based on a two-month field study in Northern Laos, analyses of energy consumptions of households in isolated villages and available renewable sources, using small scale hydro power plants and solar systems among others, are presented. Afterward, micro-grid configurations and technologies adapted to Laos are discussed. Obtained results are used in the next chapters as specifications for the designing tool.Chapter II focuses on software tools for system design and system modeling. First, a short review of the existing early-sizing tools for renewable energy sources for isolated villages is presented. But an analysis of evaluated software's such as LEAP, HOMER, HOGA, etc. shows that they are not opened enough to facilitate the development of a flexible and scalable designing too. Thus, Matlab/Simulink software is chosen as an open and highly adaptable architecture research tool. Then, specific models for renewable sources, storage devices, grid configuration are developed in order to facilitate the optimization procedures of an off-grid system design. After that, a short review of the existing optimization algorithms, available in Matlab, is carried out. Then, a paralleled mono-objective Genetic Algorithm is configured and applied in the next chapter.Chapter III presents several designs of isolated villages in Laos, using renewable energies. The specifications focus on isolated villages of about 50 houses for 120 inhabitants. The economic aspect is a key point in order to minimize costs of designed system while satisfying daily load demands of the village. For this task, locally available natural resources such as rivers and solar radiation are considered as energy sources. Various optimizations using continuous and discrete optimization algorithms are conducted taken into account the sources constraints and a short review of the existing hybrid system performance indicators is carried out, such as: Loss of Power Supply Probability, Forced outage rates, Annualized Cost of System, Levelized Cost of Energy, etc. Finally, the results obtained in this thesis show that renewable sources can be used at a reasonable price for off-grid electrification of isolated villages in Laos. Moreover, the developed designing tool can easily be adapted to new models of renewable sources and storage devices, which is the main interest of a designing tool for the early-sizing of off-grid renewable electricity production for isolated villages in Laos.

En raison de la variabilité et de l'intermittence de l'énergie solaire photovoltaïque, son intégration à grande échelle dans le mix énergétique des micros réseaux intégrant différents moyens de production demeure compliquée. En plus, cette variabilité de la ressource solaire ne permet pas l’utilisation du photovoltaïque seul pour des systèmes énergétiques autonomes. Une des solutions pour surmonter ces handicaps est le stockage d'énergie qui est généralement basé sur l’utilisation de batteries lithium-ion. Cependant, leur coût élevé et leur impact négatif sur l'environnement lors de l'extraction de leurs matières premières et lors de leur destruction ou de leur recyclage en fin de vie forcent à rechercher d’autres moyens de stockage. Dans cette thèse,nous avons modélisé et simulé un système de stockage d'énergie basé sur l'air comprimé (Compressed Air Energy Storage : CAES) qui semble être une bonne alternative au système à batterie compte tenu des désavantages cités plus haut. Cette technologie à air comprimé consiste à augmenter la pression de l’air dans une enceinte par le biais d’un compresseur alimenté par une source électrique. À ce jour, les systèmes de stockage à air comprimé existant sont basés sur des configurations à grande puissance avec des réservoirs souterrains tels que d’anciennes mines de sel ou de charbon, dont le stockage se fait sur une longue durée. Dans cette étude, nous présentons la modélisation, la simulation et l’optimisation d’un système de stockage à air comprimé d'une dizaine de kilowatts destiné à alimenter un bâtiment universitaire à énergie positive de façon instantanée à l’opposé des systèmes existants. Le modèle conçu reflète le fonctionnement en régime dynamique du système global composé du bâtiment, du champ photovoltaïque, du réseau électrique et du module de stockage à air comprimé. L’optimisation effectuée permet le dimensionnement d’un système de stockage à air comprimé pour un meilleur rendement (environ 55 %). L’intégration d’un récupérateur de chaleur muni de résistance électrique et l’introduction d’un module de compression à vitesse variable permettent au bâtiment alimenté de tendre vers l’autonomie énergétique à l’image d’un système à batterie pour un site isolé. / Due to the variability and intermittency of renewable energy such as solar technology, its large-scale integration into the micro-grid of energy production remains complicated because the large-scale photovoltaic power plants directly connected to the electricity grid may create instabilities. In addition, this variability of the solar resource does not allow the use of photovoltaics for the stand-alone system. Dealing with these issues, one of the solutions for a deployment of renewables such as photovoltaic is the set-up of energy storage inside the grid. However, the most common technique is based on the use of lithium-ion batteries, which remains not environmentally friendly during the recycling or during the destruction after their use. So, the Compressed Air Energy Storage system (CAES) appears as a solution to this disadvantage. In fact, my thesis aims to study the feasibility of this kind of energy storage technology using a small and medium photovoltaic power plant, and its instant operation to supply electricity to the buildings and the unconnected areas. In this thesis, we present the modeling, simulation, and optimization of a ten-kilowatt compressed air storage system designed to supply instantly a building with real loads. The model performed reflects the dynamic operation of the overall system consisting of the building, the photovoltaic field, the electrical grid, and the compressed air storage module. The optimization carried out allows the sizing of a compressed air storage system with a better efficiency (about 55%). The integration of a heat recovery unit equipped with electrical resistance and the adding of a variable speed compression module allow the building to reach the energy autonomy as a battery system for a standalone site.

La transition énergétique suppose de modifier notre mix énergétique en y intégrant des énergiesde sources renouvelables. Leur émergence implique une transition juridique de manière à adapter le droità l’urgence de les voir se développer. Le régime juridique des énergies vertes n’apparaît en effet pasefficient pour favoriser leur développement. Une réadaptation de leur cadre juridique se révèle en ce sensnécessaire, notamment du point de vue de leur gouvernance, de leur planification, de leurs mesures desoutien et des procédures administratives encadrant l’implantation des ouvrages les produisant. Cettetransition juridique devra par ailleurs concilier les impératifs de développement des énergies de sourcesrenouvelables avec ceux de protection du milieu environnant, dans le souci d’un développement raisonné / The way to an energy transition will be reached with an integration of renewable energies inour energy mix. This development includes a legal transition because the current legal context that appliesto green energies is not efficient and does not contribute to this emergency. Changing the legal framebecomes a necessity and particularly the way these energies are governed, planned and supported. It’salso important that administrative procedures that regulate the implantation of energies productionsystem are set. At last, this legal transition will have to conciliate imperatives linked to the development ofrenewable energies with those governing the protection of surroundings, all aiming to a sustainabledevelopment.

L'ouverture à la concurrence du secteur électrique offre à un nombre croissant de ménages l'opportunité de soutenir volontairement la production d'énergies renouvelables, par le biais d'offres directes d'électricité verte. Malgré un certain engouement pour les actions éthiques dans d'autres secteurs, le taux de souscription à l'électricité verte reste très largement en deçà des déclarations d'intérêt et de disposition à payer des consommateurs, sauf en cas d'incitation publique par les prix. Cette thèse étudie les déterminants de la souscription à l'électricité verte : comment motiver un individu sensible et plutôt favorable à l'électricité verte à passer à l'action ? Peut-on favoriser la révélation des préférences pour ce bien ? Pour répondre à ces questions, notre travail propose un rapprochement entre réflexion économique et outils psychologiques, notamment la théorie du comportement planifié. Ce modèle de Psychologie sociale permet d'articuler la réflexion théorique et l'empirisme de la thèse, constituant le fondement de l'étude que nous avons menée à St Gallen (Suisse). Dans cette étude à caractère expérimental de terrain, nous testons l'ensemble de nos hypothèses et mettons également en oeuvre une méthode permettant d'intervenir sur les croyances des individus afin de consolider l'intention de souscrire ; puis d'inciter la concrétisation de cette dernière. Nous montrons que si la surprime est un obstacle majeur à la souscription, il existe d'autres facteurs comportementaux subtils intervenant dans la formation des préférences, de l'intention et de l'action. En définissant les différentes motivations de la demande d'EV et en spécifiant la nature de l'offre, nous introduisons la notion de « certitude du bénéfice à souscrire » : plus l'agent a une perception claire de son bénéfice individuel, moins le prix constitue un obstacle dans l'arbitrage. Au final, notre travail s'efforce de donner aux décideurs, d'une part, des éléments de réflexion sur les sources de la contribution volontaire à un bien public, et d'autre part, des outils pour mettre en oeuvre des actions de révélation des préférences pour l'électricité verte. Ce type d'analyse est important pour soutenir la croissance des marchés existants et pour stimuler l'essor des nouveaux marchés, comme celui de la France depuis le 1er juillet 2007.

L'approvisionnement en énergie et le changement climatique représentent aujourd'hui deux problèmes remarquables qui doivent être surmontés par la société dans un contexte de croissance de la demande d'énergie. La reconnaissance de ces problèmes par l'opinion publique encourage la volonté politique de prendre différentes actions pour les surmonter de façon aussi rapide qu'efficace. Ces actions se basent sur l'augmentation de l'efficacité énergétique, la diminution de la dépendance sur les énergies fossiles et la réduction des émissions de gaz à effet de serre. Dans ce contexte, les systèmes électriques subissent des changements importants au niveau de leur planification et de leur gestion. D'une part, les structures verticalement intégrées sont en train d'être remplacées par des structures de marché d'électricité donnant naissance à plusieurs acteurs au niveau du fonctionnement des marchés et de la production, distribution et commercialisation d'électricité. D'autre part, les systèmes électriques qui se basaient sur la production d'énergie issue de grandes centrales génératrices voient arriver aujourd'hui la fin de vie de ces grandes centrales. Le rôle de la production répartie d'électricité à partir de technologies telles que l'éolien et le solaire devient de plus en plus important dans ce contexte. Cependant, l'intégration à grande échelle de ces types de ressources réparties pose plusieurs défis liés, par exemple, aux incertitudes associées à la variabilité de la production de ces ressources. Toutefois, des systèmes combinant des outils avancés de prédiction de l'éolien ou du solaire peuvent être combinés avec des éléments contrôlables tels que des moyens de stockage d'énergie, des turbines à gaz ou de la demande électrique contrôlable, peuvent être créés dans le but de réduire les impacts associés à ces incertitudes. Ce travail de thèse traite de la gestion, sous conditions de marché libéralisé d'électricité, de ce type de systèmes qui fonctionnent comme des sociétés indépendantes qui sont ici nommées cellules des systèmes électriques. À partir de la bibliographie existante, une vision unifiée des problèmes de gestion des systèmes électriques est proposée comme un premier pas vers la gestion d'ensembles de cellules des systèmes électriques dans un cadre de gestion multi-cellule. Des méthodologies pour la gestion journalière et optimale de ce type de cellules sont proposées, discutées et évaluées dans un cadre à la fois déterministe et stochastique, ce dernier intégrant dans le processus de gestion les incertitudes liées au problème. Les résultats obtenus montrent que l'utilisation des approches proposées peut conduire à des avantages importants pour les opérateurs chargés de la gestion de cellules des systèmes électriques.

L'étude réalisée dans cette thèse s'est portée sur un concept original de microréseau et son<br />utilisation pour faciliter l'intégration des systèmes à base d'énergies renouvelables (EnR)<br />dans le réseau. Ce microréseau est constitué des générateurs à base d'EnR ainsi que de<br />systèmes de soutien qui incorporent des fonctionnalités additionnelles de façon à en améliorer<br />l'intégration. Sur la base de ce concept proposé, deux différentes applications types de<br />microréseaux on été étudiées en détail : un microréseau résidentiel ilôtable et un parc éolien<br />muni de systèmes DFACTS (STATCOM et DVR). Dans les deux applications, des structures<br />de contrôle/commande à différents niveaux et appliquées aux différents composants du<br />microréseau ont été développées, analysées en simulation off line et finalement validées sur<br />un banc expérimental hybride temps réel avec des prototypes à échelle réduite.

La transition énergétique mondiale suppose un développement accéléré des énergies nouvelles et renouvelables pour la production d’électricité (ENRe), ce qui implique de nouveaux défis d’ordre technique, économique et de régulation du secteur électrique. Or, un engagement plus fort des pays émergents et en développement dans des trajectoires de décarbonation profonde de l’économie nécessite un renforcement des politiques de promotion ainsi que la conception d’instruments de régulation mieux adaptés aux spécificités de leurs contextes économiques et institutionnels.Cette thèse traite de la question de la conception, de la mise en place et de l’évaluation de politiques de promotion des ENRe adaptées au contexte des pays d’Amérique Latine. Dans ce but, nous avons tout d’abord recours à l’économie environnementale pour analyser les différents instruments de régulation disponibles, les caractériser et proposer des critères d’évaluation, en nous appuyant sur une revue approfondie de la littérature. Nous réalisons ensuite une étude économétrique de panel afin d’identifier les facteurs déterminants des investissements en nouvelles capacités d'ENRe et de mesurer l’efficacité des politiques. Dans un troisième temps, nous mobilisons la théorie évolutionniste du changement technologique pour analyser en profondeur le processus de mise en place des politiques, les barrières existantes et les résultats obtenus. Cette analyse s’appuie sur trois études de cas du secteur électrique au Chili, au Brésil et en Argentine. Enfin nous explorons les enjeux liés au déploiement massif des ENRe en Amérique Latine à l’horizon 2030-2040 : l’intégration des énergies intermittentes, l’accès au financement et le défi industriel.Nos analyses mettent en évidence que les transformations du contexte économique et institutionnel impulsent une dynamique qui conditionne les choix des politiques publiques ainsi que leur performance. Nous proposons donc les bases d’un cadre analytique pour la conception et l’évaluation de politiques de promotion ambitieuses sur le long terme. Ces politiques doivent être intégrées dans un projet multidimensionnel et cohérent pour le secteur énergétique. Concernant spécifiquement le choix de l’instrument de promotion et ses éléments de design, nous avons mis en exergue quatre principes à prendre en compte spécialement dans le contexte des pays émergents : le niveau de risque pour les investisseurs, le coût total de la politique pour le consommateur, l’adéquation institutionnelle de l’instrument et, enfin, sa flexibilité pour soutenir des technologies ayant différents degrés de maturité technico-économique. Cette flexibilité doit également répondre à des objectifs multiples liés au processus de développement socio-économique de chaque pays. / The transition to a more sustainable energy system requires a much faster development of new and renewable energy technologies for electricity generation (RENe). Thus, involving new challenges in the regulation of electricity sector. Additionally, a stronger commitment by emerging and developing countries for a deeper decarbonization trajectory, calls for the strengthening of renewable energy policies. Such policies include designing regulatory instruments that are better adapted for their specific economic and institutional needs.This thesis deals with the evaluation and the redesign of policies that encourage the diffusion of RENe in the context of Latin America’s countries. To this end, we first use Environmental Economics theory to analyse the different regulatory instruments available, characterize them and to propose evaluation criteria based on a thorough review of the literature. We then carry out a panel data econometric study, to identify the determining factors of investments in regards to new RENe production capacity; and in particular, to measure the effectiveness of such policies. In a third phase, we mobilize the evolutionary theory of technological change to analyse the process of policy implementation, the existing barriers and the obtained results. This analysis is based on three case studies in the electricity sector of Chile, Brazil and Argentina. And finally, we focus on the challenges related to the massive deployment of RENe in Latin America by 2030-2040: the integration of intermittent energy sources, the access to financing and the industrial challenge.Our research shows that the evolution of the economic and institutional context encourages a dynamic which conditions public policy choices as well as their performance. We therefore propose the basis of an analytical framework for the design and assessment of ambitious long-term promoting policies. These policies must be integrated into a multidimensional and coherent project for the energy sector. More specifically, concerning the choice of the policy instrument and its design elements, We have therefore highlighted four principles to be considered, especially in the context of emerging countries. The level of risk for investors, the total cost of the policy for consumers, the institutional competency of the instrument and its flexibility to support technologies with various degrees of technical and economic maturity. Such flexibility must also address multiple objectives related to the socio-economic development process of each country.

Les accords internationaux pour la réduction des émissions polluantes dans l’environnement imposent l’insertion de plus en plus importante d’énergies renouvelables intermittentes dans le réseau électrique. De plus, l’intégration de dispositifs de stockage est envisagée dans les réseaux électriques du futur afin de résoudre le problème de l’intermittence et d’optimiser la consommation des utilisateurs. Cependant, du fait des caractéristiques différentes des signaux électriques mis en jeu (courant continu pour les sources renouvelables et les batteries, courant alternatif pour le réseau électrique), les structures actuelles reposent sur plusieurs convertisseurs connectés en cascade. Ceci engendre un coût pour le convertisseur en termes de volume et de pertes. De plus, les différents niveaux de tensions (tensions du pack batterie, des sources de production renouvelables et du réseau électrique) ainsi que des contraintes en termes de sécurité nécessitent souvent l’utilisation de transformateurs pour assurer l’isolation galvanique et l’adaptation des tensions.Cette thèse se focalise sur la conception d’une structure innovante à trois ports permettant les échanges de flux de puissances entre une source de production renouvelable, un pack de batteries et le réseau électrique (monophasé ou triphasé) avec un seul étage de conversion. La structure de type TAB (Triple Active Bridge) a été choisie à cet effet en raison de ses nombreux avantages comme l’isolation galvanique, la commutation douce (ZVS) de tous ses ponts actifs (permettant de travailler à haute fréquence de commutation) et la possibilité de contrôler aisément l’échange de puissance entre les différentes sources. L’analyse réalisée se compose d’une méthodologie pour le dimensionnement, d’une structure TAB DC/DC, d’une structure TAB DC/AC monophasée, d’une structure TAB DC/AC monophasée avec un filtre actif mis en série afin de filtrer la puissance fluctuante et, finalement, d’une structure TAB DC/AC triphasée. / International agreements for the reduction of polluting emissions to the environment require the use of renewable energies in the electricity grid. In addition, the integration of storage devices is envisaged in the future electrical networks in order to solve the intermittence problems and to optimize the consumption of the users. However, due to the different characteristics of the electrical signals involved (DC current for renewable sources and batteries, AC current for the electrical network), the current structures consist on several cascaded converters. This results in a low energy density, higher costs and reduced efficiency for the system. In addition, the different voltage levels (battery voltages, renewable sources and power grid) and safety constraints often require the use of transformers to provide galvanic isolation and match the voltages.This thesis focuses on the design of an innovative three-port structure for the bidirectional power flows control between a renewable power source, a battery pack and the power grid (single phase or three-phase) with a single conversion stage. The TAB (Triple Active Bridge) structure has been chosen for this purpose, due to its many advantages such as galvanic isolation, soft switching (ZVS) in all of its active bridges (allowing to work at high switching frequency) and the possibility of an easy power flow control between the different sources. In this way, the analysis has established a methodology for the design of a TAB DC / DC structure, a single-phase TAB DC / AC structure, a single-phase TAB DC / AC structure with a series connected active filter in order to achieve a "single phase power decoupling" and finally, for the design of a three-phase TAB DC / AC structure.

La rareté de l'eau douce de bonne qualité pour l'humanité est un problème qui devient de plus aiguë (d'actualité). Les populations humaines croissantes ainsi que l'augmentation des activités industrielles et agricoles jouent un rôle majeur dans l'épuisement et la pollution des ressources en eau douce. Cette situation devient de plus en plus grave dans des pays disposant de ressources limites d'eau comme l'Arabie Saoudite qui est le plus grand pays au monde sans ressources naturelles d'eau douce. En même temps, l'Arabie saoudite est le troisième plus grand consommateur d'eau par habitant dans le monde. Pour remédier à cette pénurie d'eau douce, différentes technologies de dessalement d'eau de mer sont utilisées actuellement. Malgré plus de trente-deux usines de dessalement, le pays fait face à un défi de taille pour alimenter sa population avec eau en quantité suffisante (nécessaire). Dans ce contexte, en premier lieu, nous présentons un procédé pour produire la quantité requise d'eau, avec un impact minimum sur l'environnement, tout en maintenant sa bonne qualité. En outre, les possibilités pour l'utilisation des énergies alternatives pour réduire l'impact environnemental des besoins de dessalement sont examinées, ainsi que la pertinence des différents types d'énergie alternative qui pourraient être utilisés dans le cas particulier de l'Arabie Saoudite. L'analyse du cycle de vie (ACV) étant une méthode holistique de l'évaluation des impacts environnementaux des produits, a été utilisée pour évaluer l'impact environnemental du processus de dessalement et en identifier les principales raisons de cet impact. A cet effet, une collaboration avec une usine de dessalement en Arabie Saoudite a été mise en place, soldée par de multiples visites sur place. Ces dernières nous ont permis de comprendre le processus de dessalement, recueillir des données nécessaires et considère les possibilités d'introduire des sources d'énergie alternatives pour alimenter l'usine de dessalement. Afin d'évaluer l'impact environnemental du processus de dessalement une ACV basée sur le logiciel SimaPro a été réalisée. Les résultats de l'étude ont montré que le choix le plus pertinent concernant la technologie de dessalement dans le contexte de l'Arabie Saoudite est l'Osmose inverse (RO). Le modèle LCA a également montré que l'électricité produite à partir de combustibles fossiles a été responsable de 92,8% des dommages environnementaux causés. En outre, l'étude a montré, que les solutions les plus appropriées pour approvisionner en électricité la technologie RO de dessalement sont l'énergie solaire et l'énergie éolienne au lieu du pétrole brut fossile actuellement utilisé. L'ACV a montré également que l'utilisation de l'énergie alternative comme source d'énergie au dessalement peut réduire considérablement l'impact environnemental. / The scarcity of fresh water with enough (good) quality for human been is a problem which becomes more acute day by day. The increasing human populations along with increasing industrial and agricultural activities are adding more burden towered the depletion and pollution of fresh water resources. This situation becomes more serious in countries with limit water resources as Saudi Arabia which is the largest country in the world without natural fresh water resources. At the same time, Saudi Arabia is the third-largest per capita water consumer worldwide. To overcome the water shortage, sea water desalination technology has been used so far. Despite more than thirty-two desalination plants, the country faces a significant challenge to supply its population with the required amount of water. In this context, in the first place, this thesis presents a method for producing the required amount of water with minimal environmental impact while maintaining the required water quality need to be developed. Further, the possibilities of alternative energy in reducing the environmental impact from desalination needs are investigated, along with the suitability of different types of alternative energy that could be utilized in the particularly case of Saudi Arabia. Life cycle assessment (LCA) being a holistic method of assessing the environmental impacts of products it was used to assess the environmental impact of the desalination process and identifying the main reasons behind this damages. For this purpose, a collaboration with a desalination plant in Saudi Arabia was set up, which included visiting the plant several times. This allowed us to understand the desalination process, collect the required data and consider the possibilities of introducing alternative energy sources to power the desalination plants. In order to assess the environmental impact of the desalination process a LCA based on SimaPro software was performed. The results of the study showed that the most likely choice of desalination technology within the Saudi Arabian context is Reverse Osmosis (RO) desalination. The LCA model showed also that electricity produced from fossil fuel was the responsible of 92.8% of the environmental damages. Further, the most suitable alternatives to produce electricity to RO desalination are solar energy and wind energy instead of fossil crude oil. The LCA showed that using alternative energy as the source to supply electricity to desalination may substantially reduce the environmental impact.

L'objectif de cette thèse est de démontrer que l'Emission Acoustique (AE) est une technique appropriée pour devenir un outil de diagnostic de l'état de charge, de santé et de sécurité pour les batteries lithium-ion. Ces questions sont actuellement des points clés important pour l'amélioration des performances et des durées de vie de la technologie. La structure de ce document est organisée en deux principaux chapitres expérimetaux l'un consacré à deséléments lithium-ion composés de composés d'intercalation et l'autre à desalliages de lithium.Dans le premier cas, les résultats présentés concernent le suivi par AE de la formation de la SEI et de la première intercalation des ions lithium dans la structure du graphite pour des éléments LiFePO4/C. Les événements AE provenant de plusieurs sources ont été identifiés et correspondent à la formation de gaz (bulles) et à des phénomènes de craquelures (ouvertures du bord des plans de graphène quand la SEI est formée et l'écartement quand les stades d'insertion du graphite-lithium sont finis). De plus, une étude par spectroscopie d'impédance a été menée durant un vieillissement calendaire en température sur des éléments formés à différents régimes de courant. Dans le second cas, le mécanisme d'insertion/extraction du lithium dans des éléments LiAl/LiMnO2 a été étudié en associant plusieurs techniques incluant des techniques électrochimiques, AE et post-mortem pour évaluer les mécanismes de dégradation. Lors du cyclage, les événements acoustiques sont plus intenses lors du processus de décharge et ils peuvent être attribués principalement à l'alliage avec la transformation de phase de -LiAl en -LiAl accompagnée d'une expansion volumique importante. L'émission acoustique peut ainsi offrir une nouvelle approche pour gérer le fonctionnement des technologies lithium-ion basées non plus seulement sur des paramètres électrochimiques classiques mais aussi sur des paramètres acoustiques. Des nouveaux d'états de santé et de sécurité peuvent ainsi être envisagés. / The aim of this thesis is to demonstrate that the Acoustic Emission (AE) is an appropriate technique for diagnostics of for state of charge, state of health and state of safety for lithium-ion batteries. The availability and optimization of the latter issues are key points for both performance and durability improvements of this technology. The frame of this document is organized in two main result chapters focused on AE study of two different Li-ion technologies. The beginning of the thesis is focused on the monitoring of the SEI formation by AE and the first lithium ion intercalation inside the graphite structure for LiFePO4/C cells. AE events coming from different sources have been analyzed and identified. It was found that they correspond to gas emission (bubbles) and cracking phenomena (opening on the edge of the graphene plane when the SEI is formed and spacing when lithium graphite insertion stages are completed). Further, a study of the calendar aging process supported by electrochemical impedance spectroscopy linked the aging rate with the mechanism of the SEI formation characterized by AE monitoring. The second part of the thesis studied of lithium ion insertion/extraction in LiAl/LiMnO2 cells combining a variety of techniques including electrochemical characterization, AE monitoring and post-mortem analysis in order to evaluate the degradation mechanisms. It was found that during the cycling, the acoustic events are much more intensive during the discharge process and they can be attributed mainly to the alloy were the phase transformation from -LiAl to -LiAl and a huge volume expansion occurs. It was found that battery operation under abusive conditions (overcharge, overdischarge) can be detected by AE providing new rates for battery safety management.