Thermoacoustic systems can either generate acoustic work (i.e., p-v work) from thermal energy, or consume acoustic work to transfer heat from low to high temperature sources. They are the so-called thermoacoustic prime movers or heat pumps, essentially acting as the acoustical equivalents of Stirling engines or coolers. If a travelling sound wave propagates through a regenerator with a positive temperature gradient along the direction of sound wave propagation, the gas parcels experience a Stirling-like thermodynamic cycle. As such, thermal energy can be converted to acoustic power. Similar to Stirling engines and thermo-fluidic oscillators, thermoacoustic engines can be externally heated with various heat sources and are capable of utilising low-grade thermal energy such as industrial waste heat and solar thermal energy. Both the simplicity, and even the absence of moving parts of thermoacoustic engines demonstrate that they have the potential for developing low-cost power generators therefore, they have attracted significant research effort for developing coolers or electric generators. The target design principle of a thermoacoustic engine is to maximise acoustic power production within the thermoacoustic core whilst minimising the acoustic losses in the resonator. One of the main issues with current thermoacoustic systems is low efficiency, which is largely attributed to acoustic losses in the resonator and the regenerator. There would be a significant impact on the thermoacoustic field if a suitable travelling wave resonator were developed with the least losses. Despite the different engine configurations for developing these engines, they all work on the same thermodynamic principle, i.e., the Stirling cycle. In this study, the first issue is resolved by employing a by-pass configuration, and the second is addressed by using a side-branched volume technique. The current study focuses on the investigation of looped-tube travelling-wave thermoacoustic engines with a by-pass pipe. The novelty of such a by-pass configuration is that the by-pass and feedback pipes actually create a pure travelling wave resonator. The engine unit extracts a small amount of acoustic work from the resonator, amplifies it and sends it back to it. As the pure travelling wave resonator has very low losses, it requires very little acoustic power to sustain an acoustic resonance. This idea is analogous to children playing on swings, where a small push could sustain the swinging for a long time. The present research demonstrates that travelling wave thermoacoustic engines with such a by-pass configuration can achieve comparable performances with other types of travelling wave thermoacoustic engines which have been intensively researched. According to the results, this type of engine essentially operates on the same thermodynamic principle as other travelling wave thermoacoustic engines, differing only in the design of the acoustic resonator. The looped-tube travelling-wave thermoacoustic engine with a by-pass pipe was then implemented in the design of an engine with a much longer regenerator and higher mean pressure to increase its power density. A thermoacoustic cooler was also coupled to the engine to utilise its acoustic power, allowing evaluation of thermal efficiency. A linear alternator has also been coupled to the tested engine to develop an electric generator. This research additionally addresses the effect of a side-branched Helmholtz resonator to tune the phase in looped- tube travelling wave thermoacoustic engine. This action is performed in order to obtain the correct time-phasing between the acoustic velocity and pressure oscillations within the regenerator, to force gas parcels to execute a Stirling-like thermodynamic cycle, so that thermal energy can be converted to mechanical work (i.e., high-intensity pressure waves). By changing its volume one can change the acoustic impedance at the opening of the Helmholtz resonator, and thus adjust the acoustic field within the loop-tubed engine. It can essentially shunt away part of the volumetric velocity at the low impedance region of the engine, so that the acoustic loss can be reduced within the engine. Both the simulations and the experimental results have demonstrated that the proposed side-branched volume can effectively adjust the acoustic field within the looped-tube engine and affect its performance. There is an optimal acoustic compliance corresponding to the best performance in terms of acoustic power output and energy efficiency when the heating power input is fixed.

Τα τελευταία χρόνια δίνεται μεγάλη έμφαση στην ανάπτυξη ηλεκτρικών συστημάτων φιλικών προς το περιβάλλον. Στην κατεύθυνση αυτή πραγματοποιείται προοδευτική αντικατάσταση συστημάτων συμβατικών πηγών ενέργειας (όπως το πετρέλαιο) με νέα ανανεώσιμων. Σε αυτή την εργασία έχει μελετηθεί, με την βοήθεια του προγράμματος προσομοίωσης – βελτιστοποίησης HOMER, η λειτουργία διαφόρων αυτόνομων ηλεκτρικών συστημάτων με στόχο την κάλυψη των ηλεκτρικών αναγκών (φορτίου) μιας μικρής κοινότητας. Ως περιοχή μελέτης έχει επιλεγεί η Χούλου, μια κοινότητα που βρίσκεται στην Πάφο της Κύπρου. Η Χούλου κατοικείται όλο το χρόνο. Σε αυτή τη περιοχή, κατά την τουριστική περίοδο, το καλοκαίρι, παρατηρείται απότομη αύξηση σε απαιτήσεις φορτίου. Τα δεδομένα έχουν συλλεχθεί από την Αρχή Ηλεκτρισμού Κύπρου (Α.Η.Κ.). Η μελέτη διεξήχθη αρχικά με βάση το υπάρχον εγκατεστημένο σύστημα και έπειτα για τρία εναλλακτικά σχέδια – προτάσεις που βασίζονται σε αντικατάσταση συμβατικών με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Οι συνδυασμοί είναι οι εξής: α) Προϋπάρχον σύστημα (Ντίζελ), β) Φωτοβολταϊκά - Ντίζελ - Μπαταρίες, γ) Ανεμογεννήτρια - Ντίζελ - Μπαταρίες, δ) Ανεμογεννήτρια - Φωτοβολταϊκά – Μπαταρίες. Ακολούθως, παρουσιάζεται μια εκτενής αναφορά του προγράμματος HOMER Οι τρεις βασικές λειτουργίες, του προγράμματος είναι η προσομοίωση, η βελτιστοποίηση και η ανάλυση ευαισθησίας. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης προκύπτουν με βάση το χαμηλότερο συνολικό καθαρό κόστος (Net Present Cost - NPC). Στο τελευταίο μέρος παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης. Τα ηλιακά και αιολικά δεδομένα της εξεταζόμενης περιοχής εισάγονται αυτόματα στο πρόγραμμα και έχουν ως πηγή πληροφοριών την NASA. Τα είδη των ανεμογεννητριών, των φωτοβολταϊκών πάνελ, των μετατροπέων, των μπαταριών και των γεννητριών καθώς και τα χρηματοοικονομικά στοιχεία που συγκεντρώθηκαν για την εκτέλεση των προσομοιώσεων προήλθαν από εταιρείες της Κύπρου. Τέλος, γίνεται μια σύγκριση μεταξύ των αποτελεσμάτων που λαμβάνονται, με στόχο την εξεύρεση του βέλτιστου συνδυασμού που θα ταιριάζει στην περιοχή, με βασικά κριτήρια το συνολικό κόστους της επένδυσης, το πλεόνασμα της ηλεκτρικής ενέργειας, την ποσότητα των ρύπων που εκπέμπονται στο περιβάλλον και την ετήσια παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας σε kWh . / Nowadays there is great emphasis on building environmentally friendly electric systems by replacing the conventional energy sources with renewable. In this project, the function of various autonomous systems has been studied, to cover the electric load requirements of a small community using HOMER simulation program. Study area has been chosen Choulou, a community located in Paphos (Cyprus). The Choulou inhabited all year round. It is observed sudden increase in load requirements during the summer months due to the tourist season. Data have been collected from E.A.C. (Electricity Authority of Cyprus). The study was conducted for the existing installed system in the region as well as three alternative designs of this based on renewable energy sources. The combinations are the following: Primary installed System-Diesel System, Photovoltaic – Diesel System- Batteries, Wind Turbine- Diesel System- Batteries, Wind Turbine –Photovoltaic – Batteries Subsequently is presented an extensive report of HOMER program. The three main functions, incurred by HOMER, are the simulation, optimization and sensitivity analysis which are evidential in this work. The simulation results in this work are based on the lowest total net cost (NPC). In the last part, we present the HOMER simulations results. The solar and wind data of the area examined is granted by NASA sources and are automatically inserted in the program. The types of wind turbines, photovoltaic panels, batteries inverters and generators as well as the financial item are setted as data on the program to perform the simulations which were gathered by Cyprus companies. Finally, a comparison is made between the obtained results by the aim of finding the optimal combination of the region, with essential criteria overall the investment cost, the surplus electricity, the quantity of pollutants emitted into the environment and the annual production of electricity in kWh.

L’utilisation des coulis d’hydrates comme Fluides Frigoporteurs Diphasiques (FFD) permet de réduire l’impact environnemental des systèmes frigorifiques car ces fluides possèdent une densité énergétique élevée. Leur application pour le stockage d’énergie thermique serait une réponse à une problématique industrielle de distribution de froid (climatisation, procédés de refroidissement). Un montage expérimental constitué d’une boucle de circulation et d’un réacteur de formation a été utilisé afin d’évaluer les caractéristiques thermo-hydrauliques des coulis d’hydrates de CO2 et a permis de déterminer les viscosités et les coefficients d’échange convectif des coulis. A l’aide de ces paramètres, une étude énergétique et exergétique a été réalisée sur le système. Cette étude a permis de développer un modèle numérique capable d’évaluer la distribution de l’énergie dans différents éléments du montage expérimental (réacteur de formation des hydrates et échangeur de chaleur pour la dissociation des hydrates), ainsi que de déterminer les pertes exergétiques engendrées par ces éléments. Un bon accord entre les données expérimentales et le modèle numérique pour le suivi en température du coulis lors de sa formation et dissociation a été montré. L’étude a confirmé que les fluides diphasiques présentent une plus grande efficacité énergétique et moins de pertes exergétiques que les fluides monophasiques. / Hydrates slurries as two-phase secondary refrigerants (FFD) reduces the environmental impact of refrigeration systems because these fluids have a high energy density. Their use for cold storage could be a solution to an industrial cold distribution at various temperature levels (air-conditioning, cooling process or preservation temperature). An experimental device composed of a circulation loop and a formation tank enables to characterize the thermal-hydraulic properties of CO2 hydrates slurries in order to determine the viscosities and the convective heat transfer coefficients of hydrates slurries. With these hydraulic and thermal parameters, an energy study was carried out on the system. Within this study a numerical model was developed to evaluate the energy distribution in different experimental elements (hydrate formation tank and hydrates dissociation heat exchanger) and to determine the exergetic losses created by these components. A good agreement between the experimental data and the numerical model for the temperature evolution of the slurry has been shown. The study has confirmed that multi-phases fluids provide higher energy efficiency and less exergetic losses than one-phase fluids.

Pour atteindre une haute efficacité énergétique dans l'industrie, des méthodes d'intégration énergétique ont été développées. La plupart de ces travaux traitent des procédés continus. Or 50 % des procédés industriels sont des procédés discontinus ou variables dans le temps. D'où la problématique : comment effectuer l'intégration énergétique des procédés discontinus ou variables dans le temps en incluant le stockage thermique et les systèmes de conversion d'énergie tout en minimisant l'exergie consommée ? Et comment dimensionner les utilités dans ce type de procédés pour répondre aux contraintes imposées par le réseau et aux obligations d'effacement ? La première partie présente le modèle de conception de l'architecture d'intégration énergétique des procédés discontinus en incluant les stockages thermiques et des systèmes de conversions d'énergie (pompes à chaleur, ORC, machines trithermes) dans la phase de conception. Ce modèle permet le dimensionnement et la détermination de la température des stockages thermiques ainsi que des systèmes de conversion d'énergie en minimisant l'exergie consommée dans le procédé. La deuxième partie présente le modèle de dimensionnement des utilités, en prenant en compte leur fonctionnement réel à charge partielle ou soumises à des contraintes imposées par le réseau. C'est une optimisation économique permettant de déterminer le nombre, le type et la capacité des utilités permettant de satisfaire les besoins du procédé en l'intégrant énergétiquement. / Many heat integration methods were developed to achieve high-energy efficiency in industry. Most of them are dedicated to continuous processes. However, statistics show that 50 % of processes are variable or batch. Hence: how to energetically integrate variable or batch processes including heat storages and energy conversion systems while minimizing the consumed exergy in the process? How to design utilities while considering the constraints on the energy network like the fluctuation of energy prices (imposed to reduce the energy consumption on peak hours) and the energy availability (resulting from the use of renewable energies)?The first part of the thesis presents the model to design the optimal architecture of heat integration in discontinuous processes including heat storages and energy conversion systems (heat pumps, tri-thermal machines, ORC etc.). This model allows the design of heat storages. The capacity and temperatures of energy conversion systems are also determined using this model. The objective is to reduce the consumed exergy in the process.The second part present the model for utilities design taking into account the real behavior of those under part load conditions or under constraints imposed by the network. It is an economic optimization.

Le stockage de l’énergie constitue un enjeu majeur pour garantir la sécurité des réseaux électriques et favoriser le développement des énergies renouvelables. Véritable alternative aux stations de transfert d’énergie par pompage (STEP), le stockage d’énergie par air comprimé (CAES pour Compressed Air Energy Storage) fait partie des technologies les plus intéressantes. Dans les systèmes classiques utilisés actuellement, l’énergie de compression est perdue et l'air est préchauffé lors de la détente. Il en résulte une émission de CO2 et un rendement faible de l’ordre de 50%. Le système AA-CAES (Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage) vise à pallier ces deux inconvénients en stockant la chaleur de compression dans un régénérateur thermique et en la restituant avant la détente dans la turbine. Compte tenu des fortes sollicitations thermiques, mécaniques et cycliques que subit cet ouvrage, la conception d'un revêtement capable d'assurer la stabilité, l'isolation et l'étanchéité constitue un enjeu principal du système. Ce point crucial constitue l'axe principal autour duquel s'articule cette thèse. Une campagne d'essais en laboratoire a été mise en oeuvre pour étudier les comportements thermique, hydraulique et mécanique de tous les matériaux impliqués dans un régénérateur souterrain creusé dans une roche cristalline. Pour l'air humide, dont le comportement thermodynamique est mal connu dans la gamme des fortes températures et des pressions envisagées, un nouveau modèle théorique a été développé. De la même façon, un modèle thermo-hydro-mécanique a été développé pour un milieu poreux déformable saturé traversé par un fluide compressible. L'intégration de ce modèle dans un logiciel de calcul de structures par éléments finis a permis d’examiner plusieurs configurations de revêtement et d'étudier l’effet des mécanismes de couplage sur le champ de température et sur la stabilité mécanique. Afin de valider les développements effectués et les solutions de revêtement proposées, un prototype d’un régénérateur à échelle réduite combinant pression et température a été construit dans le laboratoire LITEN du CEA à Grenoble. Les résultats des expériences et des modélisations effectuées ont mis en évidence l'importance du phénomène de convection dans les briques isolantes du revêtement et la nécessité d'assurer l'étanchéité du système avant l'isolation thermique. / Energy storage is a major challenge to ensure the safety of electrical networks and to promote the development of renewable energies. Veritable alternative to Pumped Storage Hydropower (PSH), the energy storage using compressed air (for CAES Compressed Air Energy Storage) is one of the most interesting technologies. In conventional systems currently in use, the compression energy is lost and the air is preheated during the expansion phase. This results in emission of CO2 and a low efficiency of about 50%. The AA-CAES (Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage) aims to overcome these two drawbacks by storing the heat of compression in a thermal regenerator and restoring it before expansion in the turbine. Given the high thermal, mechanical and cyclic loading subject to the regenerator, the design of a lining capable of ensuring stability, insulation and sealing is a main issue of the system. This crucial point is the main axis around which this research is articulated. A laboratory testing campaign has been conducted to study the thermal, mechanical and hydraulic behavior of all materials involved in the underground regenerator excavated in a crystalline rock. For the humid air, whose thermodynamic behavior is not well studied within the range of the high foreseen temperatures and pressures, a new theoretical model was developed. In the same way, a thermo-hydro-mechanical model was developed for a deformable porous medium saturated with a compressible fluid. The implementation of this last model into a finite element numerical code was used to examine several lining configurations and to study the effect of coupling mechanisms on the temperature field and the mechanical stability. To validate the developments made and the proposed lining solutions, a prototype of a small scale regenerator combining temperature and pressure was built in the LITEN laboratory of CEA in Grenoble. The results of the conducted experiments and modeling revealed the importance of the convection phenomenon in the insulating bricks of the lining and the need to seal the system before thermal insulation.

Les systèmes géothermiques de surface extraient l’énergie du sol via un fluide caloporteur circulant dans un échangeur pour une profondeur ne dépassant pas 200 m. Deux typologies d’échangeurs sont généralement utilisées : les systèmes avec échangeurs verticaux, principalement affectés par les conditions géologiques ; et les échangeurs horizontaux, plus proches de la surface du sol, impactés essentiellement par les conditions climatiques. Dans le sol, les échanges thermiques sont majoritairement des transferts de chaleur par conduction. Ainsi, les propriétés thermo-physiques du sol influencent la quantité d’énergie extraite par les échangeurs. Afin de quantifier les propriétés thermo-physiques d’un sol sous l’influence des conditions géologiques et climatiques, deux dispositifs expérimentaux sont élaborés, conçus, instrumentés et validés au sein de notre laboratoire. Les résultats expérimentaux enrichissent les connaissances scientifiques sur le comportement hydrique d’un sol soumis à des événements pluvieux et l’impact de la contrainte verticale sur les propriétés thermo-physiques d’un sol. De plus, une étude numérique, à partir d’une modélisation 2D par éléments finis d’un échangeur airsol, évalue les performances énergétiques de ce dernier en fonction de différentes humidifications du sol et différents scénarios de pluie. Les résultats numériques révèlent ainsi l’intérêt d’utiliser un sol d’enrobage très humide pour accroître significativement les performances énergétiques d’un échangeur air-sol. / Surface geothermal systems extract energy from the ground via a fluid circulating in an exchanger at a depth not exceeding 200 m. Two typologies of exchangers are generally used: systems with vertical exchangers, mainly affected by geological conditions; and horizontal exchangers, closer to the surface of ground, impacted mainly by weather conditions. Thermal exchanges in the soil are mainly conduction heat transfers. Thus, thermo-physical properties of soil influence, mostly, energy extracted by exchangers. In order to quantify influence of geological and meteorological conditions on thermo-physical properties of soil, two experimental devices are developed, designed, instrumented and validated. The experimental results provide more appropriate scientific knowledge on hydric behavior of a soil subjected to rain events and influence of compactness on thermal properties of soil. In addition, one numerical study, based on a finite element 2D modeling of an earth-air heat exchanger, evaluates their energy performance under different soil moisture conditions and rain scenarios thus revealing the utility of water to significantly improve its performance.

Afin d’augmenter la durabilité des PEMFC, des aérogels de dioxyde d'étain ont été étudiés pour remplacer le carbone comme support de catalyseur cathodique. SnO2 est un semi-conducteur de type n dont la conductivité électronique peut être améliorée en le dopant par des cations hypervalents tels que Nb5+, Ta5+ ou Sb5+. Pour être un support de catalyseur efficace, le matériau doit aussi posséder une surface spécifique élevée avec une morphologie mésoporeuse pour permettre à la fois la dispersion et l'activité du catalyseur (Pt). À cette fin, notre objectif était de développer des aérogels de SnO2 dopé. Dans cette étude, les aérogels ont été synthétisés par voie sol-gel en milieu acide à partir d’alcoxydes métalliques comme précurseurs. Nos matériaux présentent une morphologie aérée très intéressante avec une surface spécifique relativement élevée (80-90 m2/g). De plus, tous les aérogels SnO2 dopés au Sb ont présenté une amélioration très significative de la conductivité électronique pour atteindre une valeur d’environ 0,12 S/cm. Les nanoparticules de platine ont ensuite été déposées sur la surface de l'aérogel SnO2 dopé Sb en utilisant trois méthodes différentes. La méthode basée sur la réduction chimique par l’intermédiaire d’un polyol fournit le meilleur résultat en terme d'activité catalytique massique, mesurée en électrode à disque tournant (Is = 32 mA/mgPt). Cette valeur est, par ailleurs, encore plus élevée que celle de l'électrocatalyseur TEC10E40E (Is = 27 mA/mgPt). Les AMEs intégrant notre aérogel SnO2 dopé au Sb ont enfin montré une très bonne durabilité à des potentiels élevés. / In order to tackle the problem of low durability, tin dioxide aerogels were studied to replace carbon black as a catalyst support in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs). SnO2 is a well-known n-type semi-conductor whose electronic conductivity can be improved by doping with hypervalent cations such as Nb5+, Ta5+ or Sb5+. In addition, as a catalyst support, this material has to develop a high specific surface area with adequate mesoporous morphology to allow both good dispersion and activity of the catalyst (Pt). To this end, our objective was to develop doped SnO2 aerogels. In this study, SnO2 based-aerogels were successfully synthesized following an acid-catalyzed sol–gel route starting with metal alkoxides as precursors. Our materials have shown a very interesting airy morphology with among other a reasonable specific surface area (80–90 m2/g). Moreover, all Sb-doped aerogels exhibited significant improvement in electronic conductivity and reach a value of around 0.12 S/cm. Platinum nanoparticles were then deposed on the Sb doped SnO2 aerogel surface using three different methods. The method based on chemical reduction using a polyol route provided the best result in term of mass catalytic activity measured by RDE (Is = 32 mA/mgPt). This value is even higher than that of the reference electrocatalyst TEC10E40E (Is = 27 mA/mgPt). Sb doped SnO2 aerogel based MEAs have exhibited a very good durability at high potentials.

Pour faciliter la transition énergétique vers la réduction de la consommation des énergies fossiles, la réduction des émissions de CO2 et l’intégration des sources d’énergie renouvelables, il convient d’étudier des stratégies permettant d’adapter en temps réel la gestion énergétique de manière optimale par rapport aux contraintes extérieures et intérieures du bâtiment. Des leviers d’action existent à l’échelle de l’îlot comme la mutualisation des productions et des consommations. Cette thèse présente l’application de techniques d’optimisation au développement de stratégies de gestion du chauffage électrique d’un bâtiment multizone comportant des logements et des bureaux. Pour réduire les temps de calcul par rapport à une approche de résolution globale d’un problème d’optimisation à grande échelle, les méthodes de décomposition-coordination ont été étudiées. Ces méthodes permettent de résoudre des sous-problèmes d’optimisation à l’échelle de chaque zone et de réintégrer les couplages entre zones (couplages thermiques et partage d’une ressource) avec une étape de coordination. Une méthode décomposée-coordonnée a été retenue pour chaque type de couplage permettant la mise en place d’une gestion en temps réel à l’échelle multizone. / To facilitate the energy transition towards the reduction of fossil fuels consumption, CO2 emissions and the integration of renewable energy sources, it is necessary to study realtime management strategies to adapt energy management in an optimal way according to external and internal perturbations and the evolution of the building. Solutions exist at the scale of blocks of buildings such as production and consumption pooling. This thesis presents the development of real-time management strategies, using optimisation techniques, for the electric heating of a multi-zone building mixing residential and tertiary uses. To decrease computation time compared to a global resolution approach of large-scale optimisation problems, decomposition-coordination methods were studied. These methods consist in solving sub-problems of optimisation in each zone and reintegrating the links between zones (thermal couplings and resource sharing) using a coordination step. One of these methods was chosen for each type of coupling allowing the implementation of real-time management at a multi-zone scale.

Le Dynamic Line Rating est la modification dynamique des contraintes de courant sur une ligne électrique aérienne, en accord avec la météorologie. De telles modifications permettent alors d’avoir des réductions des phénomènes de congestion près de 99% du temps.De manière similaire aux énergies renouvelables, il est possible de générer des prévisions de ces contraintes modifiées, en accord avec des observations historiques, des prévisions météorologiques et des méthodes d’intelligence artificielle.Dans cette thèse, nous proposons le développement de modèles de prévision probabilistes à court terme du DLR. Nous nous concentrons plus particulièrement sur des méthodes fournissant des prévisions ayant de très faibles probabilités d’être surestimées. Cela passe par le développement et la comparaison de plusieurs méthodes de prévision, ainsi que des améliorations comme des modifications de prévisions à très bas quantile à l’aide de remodélisations des queues de distribution.Par la suite, une réflexion est faite sur l’utilisation en pratique de ces prévisions, d’abord par des cas d’étude simplifié, puis à l’aide de simulations de réseaux électrique. Ces approches nous permettent de développer de nouvelles stratégies d’utilisation des prévisions DLR, optimisant le bien-être social tout en maintenant les risques associés aux erreurs de prévision à un niveau faible.Finalement, nous évaluons les modèles de prévisions développés en fonction de leurs performances économiques à l’aide des modèles de réseaux électriques, et nous démontrons la valeur des améliorations des modèles de prévision que nous proposons. / Dynamic Line Rating is the modification of the maximal current capacity of an overhead electrical line, depending on weather characteristics. Such modifications allow important decreases of congestion phenomena, around 99% of the time.Similarly to renewable generation, it is possible to forecast the modified constraints, accordingly to some historic observations, weather predictions and artificial intelligence methods.In this document, the development of short-term probabilistic DLR forecast models. A focus is especially made on methods providing forecasts having a very low probability of being overestimated. This is made through the development and the comparison of several forecast methods, and some improvements such as the remodelling of very low quantile forecasts with tail density modelling.Following that, a reflection is proposed on the use of such forecasts in practice, first with some simplified test cases, then with electrical grid simulations. These approaches allow us developing new strategies for the use of the DLR forecasts, maximizing the social welfare while keeping risks associated with forecasts errors at low levels.Finally, an evaluation of the forecast models function of their economic value is made with the electrical grids models, and the value of the proposed modifications of the forecast models is then demonstrated.

Dans le contexte de la transition énergétique, il existe des inconnues liées à la fonctionnalité du réseau électrique futur avec l’augmentation de la consommation et l’introduction de nouvelles formes de production. L’adaptation du système actuel est inévitable, néanmoins, les solutions efficaces sont difficiles à définir. Les stratégies actuelles de la planification du réseau de distribution ne répondent pas précisément aux problématiques des nouvelles productions décentralisées, le changement du profil de la consommation, l’automation du réseau de distribution avec de nouvelles stratégies de gestion du réseau ainsi que la déréglementation du marché de l’électricité. De plus, la visibilité et la contrôlabilité du réseau de distribution est limité, l’implémentation d’une gestion active optimale n’est pas à présent une réalité. L’évaluation du réseau intelligent est critique pour comparer aux solutions traditionnelles.L’objectif principal de cette thèse est d’explorer les barrières technico-économiques pour l’intégration massive des énergies renouvelables sur le réseau de distribution. Cette thèse explore plusieurs solutions au travers d’algorithmes d’optimisation de type flux de puissance qui utilisent des relaxations convexes. Pour le cas du réseau électrique basse tension, des systèmes triphasés déséquilibrés sont considérés. Pour analyser les incertitudes associées avec la génération et la demande, des algorithmes stochastiques sont abordés. Ces outils sont utilisés pour i) l’optimisation de l’emplacement et le dimensionnement des batteries, ii) l’optimisation des stratégies de gestion de la demande, iii) l’évaluation des stratégies d’opération de flexibilité du réseau centralisé et aussi décentralisé et iv) étudier l’impact de différents scénarios de pénétration des énergies renouvelables sur les réseaux existants. / In the context of the energy transition, there are many unknowns related to the required capabilities of future electric distribution systems to meet the growing electric load and new forms of electric production. The transformation of current electric distribution systems is inevitable, however, the most cost-effective investments are difficult to evaluate. Current electric distribution grid planning strategies are inadequate to take into account the accommodation of massive decentralized production, increased electric load with higher volatility, automation of distribution grids and unbundling of electricity markets. Due to a lack of observability and controllability in the distribution grid, the feasibility of optimal power flow management is not currently a reality. The quantification of smart distribution grids is critical to evaluate the added benefit of this solution in comparison to infrastructure upgrades.The primary objective of my PhD is to explore the techno-economical barriers of massive renewable energy integration into the distribution grid. This thesis will explore different solutions through convex relaxations of optimal power flow analysis. For the low voltage distribution grid case, three-phase unbalanced power flow analysis is considered. In order to consider realistically the uncertainties related to renewable generation and demand, stochastic optimal power flow (OPF) algorithms are proposed. These tools are used among others to i) optimize placement and sizing of grid connected storage, ii) optimize demand response strategies, iii) study different operation strategies for storage devices including centralized and decentralized ones and iv) study the impact of different renewable energy integration scenarios into real-world distribution grids.