L’évolution du contexte énergétique mondial et la lutte contre le changement climatique ont conduit à l’accroissement des capacités de production d’énergie renouvelable. Les énergies renouvelables sont caractérisées par une forte variabilité due à leur dépendance aux conditions météorologiques. La maîtrise de cette variabilité constitue un enjeu important pour les opérateurs du système électrique, mais aussi pour l’atteinte des objectifs européens de réduction des émissions de gaz à effet de serre, d’amélioration de l’efficacité énergétique et de l’augmentation de la part des énergies renouvelables. Dans le cas du photovoltaïque(PV), la maîtrise de la variabilité de la production passe par la mise en place d’outils qui permettent de prévoir la production future des centrales. Ces prévisions contribuent entre autres à l’augmentation du niveau de pénétration du PV,à l’intégration optimale dans le réseau électrique, à l’amélioration de la gestion des centrales PV et à la participation aux marchés de l’électricité. L’objectif de cette thèse est de contribuer à l’amélioration de la prédictibilité à court-terme (moins de 6 heures) de la production PV. Dans un premier temps, nous analysons la variabilité spatio-temporelle de la production PV et proposons une méthode de réduction de la non-stationnarité des séries de production. Nous proposons ensuite un modèle spatio-temporel de prévision déterministe qui exploite les corrélations spatio-temporelles entre les centrales réparties sur une région. Les centrales sont utilisées comme un réseau de capteurs qui permettent d’anticiper les sources de variabilité. Nous proposons aussi une méthode automatique de sélection des variables qui permet de résoudre les problèmes de dimension et de parcimonie du modèle spatio-temporel. Un modèle spatio-temporel probabiliste a aussi été développé aux fins de produire des prévisions performantes non seulement du niveau moyen de la production future mais de toute sa distribution. Enfin nous proposons, un modèle qui exploite les observations d’images satellites pour améliorer la prévision court-terme de la production et une comparaison de l’apport de différentes sources de données sur les performances de prévision. / The evolution of the global energy context and the challenges of climate change have led to anincrease in the production capacity of renewable energy. Renewable energies are characterized byhigh variability due to their dependence on meteorological conditions. Controlling this variabilityis an important challenge for the operators of the electricity systems, but also for achieving the Europeanobjectives of reducing greenhouse gas emissions, improving energy efficiency and increasing the share of renewable energies in EU energy consumption. In the case of photovoltaics (PV), the control of the variability of the production requires to predict with minimum errors the future production of the power stations. These forecasts contribute to increasing the level of PV penetration and optimal integration in the power grid, improving PV plant management and participating in electricity markets. The objective of this thesis is to contribute to the improvement of the short-term predictability (less than 6 hours) of PV production. First, we analyze the spatio-temporal variability of PV production and propose a method to reduce the nonstationarity of the production series. We then propose a deterministic prediction model that exploits the spatio-temporal correlations between the power plants of a spatial grid. The power stationsare used as a network of sensors to anticipate sources of variability. We also propose an automaticmethod for selecting variables to solve the dimensionality and sparsity problems of the space-time model. A probabilistic spatio-temporal model has also been developed to produce efficient forecasts not only of the average level of future production but of its entire distribution. Finally, we propose a model that exploits observations of satellite images to improve short-term forecasting of PV production.

Le biogaz est une énergie renouvelable issue de la digestion anaérobique de matières organiques. Sa composition varie en fonction de la source organique et des conditions de production et récolte. Néanmoins on peut distinguer deux types de biogaz :• biogaz de digesteur, issue de la fermentation dans des méthaniseurs des matières organiques provenant de cultures, effluents d'élevages, boues des stations d'épuration d’eaux, effluents des industries agroalimentaires. Il est généralement composé de 35% CO2 et 65% CH4. Il contient aussi des traces de H2S.• biogaz de décharge, créé durant la décomposition anaérobique des substances organiques dans les déchets solides ménagers et déchets commerciaux et industriels. Par rapport au biogaz de digesteur, il peut contenir de l’azote (N2) jusqu’à 20%, de l’oxygène (O2) jusqu’à 5% et des traces d’autres contaminants, comme les siloxanes. Les gaz de l’air sont introduits dans le biogaz après fermentation, lors de la récolte par aspiration, à cause des défauts d'étanchéité du système de captage du gaz. Le rapport CH4/CO2 reste de l’ordre de 1.5.Après avoir enlevé les impuretés tels que l’ H2S, siloxanes etc., le biogaz peut être utilisé pour la production d'énergie électrique et de chaleur, ou être valorisé en appliquent un traitement ultérieur qui le transforme en biométhane. Le biométhane est un mélange gazeux équivalent au gaz naturel, qui peut donc être utilisé comme carburant pour véhicules ou être injecté dans les réseaux de gaz naturel. Le passage du biogaz au biométhane est appelé « upgrading » et consiste en le captage et séparation du CO2 et de l’N2 afin que sa composition puisse satisfaire aux prescriptions techniques du gaz naturel. Le biométhane peut être stocké et utilisé sous forme de Biométhane comprimé à une pression qui dépende de son utilisation: la pression du réseau de transport du gaz naturel varie de 4 à 60 bar, alors que le gaz pour voitures (BioGNV) est stocké à 300 bar pour alimenter les réservoirs des voitures à 200 bar. Une solution pour réduire la taille et cout des réservoirs, ainsi que le transport du biométhane, est la production de biométhane liquide (BioGNL), qui demande une étape de liquéfaction.Le CO2 est un gaz inerte et n’apporte donc pas de pouvoir calorifique au biométhane. De plus il cause des problèmes quand il solidifie, suite, par exemple, à une détente. Pour ces raisons, sa concentration dans le biométhane est soumise à des spécifications. En France, la limite est de 2.5% pour l’injection dans le réseau du gaz naturel. Dans le cas de la liquéfaction du biométhane, la concentration maximale est généralement considérée de 50 ppm, afin d’éviter la formation du solide pendant la liquéfaction.L’N2, comme le CO2 doit être présent en quantité limité dans le biogaz car sa présence baisse le pouvoir calorifique du combustible. La concentration de N2 maximale n’est pas indiquée directement dans la réglementation du réseau, mais à partir des spécifications de l’index de Wobbe on peut en déduire que la quantité de N2 doit être inferieure à 3% molaire.Les enjeux technologiques concernent donc la séparation du CO2, la liquéfaction du biométhane et l’enlèvement de l’N2. / In the field of non-fossil energy sources and exploitation of wasted energies, this PhD project aims to improve the availability of the alternative and renewable resource that is the upgraded biogas, also calledbiomethane. A particular type of biogas is here studied: landfill gas, produced in landfills from the anaerobic digestion of wastes. Depending on the final use, landfill gas need to be treated in order to remove impurities and increase the methane content (upgrading). Carbon dioxide (CO2 ), nitrogen (N2 ) and oxygen (O2 ) need thus to be separated from methane. Because upgrading process is fundamental for further applications of the landfill gas, suitable separationtechniques have to be studied. The objective of the thesis is the study and simulation of an optimized cryogenic technology applied to a landfill upgrading process. The base of the study is the knowledge of the thermodynamic behavior of mixtures constituted of methane and minor compositions of N2 , O2 andCO2 . At this purpose, thermodynamic model will be developed for determining the phase diagrams of methane with the other gases present in the landfill gas. Moreover, in order to validate and calibrate the thermodynamic models, phase equilibrium data involving a CO2 solid phase are needed: an extended bibliographic research on existing data is performed and original measurements are provided where data from literature are missing.

Ce travail contribue aux efforts de l'Union Européenne pour réduire les émissions de CO2. Son objectif est d'aider les industries produisant de la chaleur fatale à récupérer cette énergie perdue, d'augmenter sa température et de la réutiliser in situ. Les transformateurs de chaleur (Absorption Heat Transformers ou AHT), machines à absorption consommant très peu d'électricité, sont alors ici étudiés. Les AHTs existants rencontrent des problèmes comme la corrosion, la cristallisation, la toxicité et les niveaux de pression éloignés de la pression atmosphérique. Ceux-ci sont causés par les fluides conventionnels (Eau/LiBr et Ammoniaque/Eau) et s'aggravent à des températures supérieures à 120°C. Des modèles de conception ainsi que des solutions techniques, applicables avec tous mélanges de fluides organiques, sont alors proposés dans cette thèse. Ces modèles sont validés avec des données de la littérature et implémentés dans des outils d'aide à la décision.Tout d'abord, un modèle de sélection de paires de fluides organiques (parmi une liste de fluides) est développé. Les contraintes prises en compte sont, entre autres, les types et les profils de températures des sources et puits de chaleur, et les propriétés du fluide. Pour chaque type de fluide, la méthode la plus adaptée au calcul des propriétés physiques des fluides est choisie.En second lieu, pour effectuer la séparation des 2 constituants du mélange de fluides organiques, le générateur (composant recevant la chaleur fatale) et le condenseur de l'AHT sont fusionnés pour former une colonne de distillation. Un modèle d'une colonne de distillation nommée « hybride » est alors développé en adaptant la méthode de Ponchon-Savarit et en la combinant avec la méthode ETD (Equal Thermodynamic Distance). Cette colonne associe les avantages des 2 types de colonnes adiabatiques et diabatiques. Elle allie réduction de production d'entropie et meilleure exploitation des sources de chaleur à températures glissantes. La conception mécanique de la colonne hybride est aussi incluse.Troisièmement, pour atteindre la température théorique maximale du mélange de fluide déjà choisi, l'absorbeur de l'AHT (où la chaleur à haute température est libérée) est divisé en sections adiabatiques suivies par des sections diabatiques. De plus, les modèles détaillés des colonnes à bulles (fonctionnant en co-courant ou en contre-courant) ainsi que de la colonne à garnissage sont présentés et comparés entre eux.Les principaux résultats de ces travaux consistent en une nouvelle méthodologie de choix de fluides organiques pouvant remplacer les mélanges classiques surtout à températures élevées (supérieures à 130 °C). En ce qui concerne la colonne de distillation, il est montré que la colonne adiabatique constitue un meilleur choix lorsqu'une source de chaleur latente est disponible tandis qu'avec une source de chaleur sensible, la colonne hybride engendre moins de pertes exergétiques. En passant à l'absorbeur, le nouveau mode d'opération de celui-ci permet à l'utilisateur d'atteindre des températures plus élevées que celles réalisées avec les technologies actuellement disponibles. Enfin, les modèles développés permettent de choisir les technologies de distillation (adiabatique, diabatique ou hybride) et d'absorption (colonne à bulles ou à garnissage) les plus appropriées en s'adaptant à différentes problématiques industrielles. / This work is part of the European union efforts to reduce its CO2 emissions. It aims to assist any waste heat producing industry in recuperating this lost thermal energy, pumping it to higher temperature levels and reusing it on site. Absorption Heat Transformers (AHT), that consume little electricity, are used for this task. Current AHT problems such as corrosion, crystallization, toxicity and inconvenient pressure levels are caused by conventionally used H2O/LiBr and NH3/ H2O working fluids and get worse at temperatures exceeding 120°C. Potential solutions are thus suggested. According to them, models are developed; they are all able to operate with any organic mixture and are customized to accompany the industrialist from start to finish. These solutions were validated by comparing them with literature data and are implemented into several tools.Firstly, a model selects the optimal organic binary mixture -among a list of fluids- in terms of the real case application's constraints: Heat transfer fluids used, Heat source's and heat sink's types and temperature profiles, mixtures transport properties among other parameters. Suitable thermodynamic model is selected for different fluid group types.Secondly, in order to separate the 2 components of the chosen mixture of organic compounds, the AHT generator (component which receives waste heat) is merged with the AHT condenser thus forming a distillation column. A “hybrid column” is designed by modifying the Ponchon-Savarit method and combining it with the Equal Thermodynamic Distance (ETD) method. This new column associates the best features of the two columns. It reduces entropy production rates and best exploits temperature gliding heat sources. Mechanical design for the hybrid column is also included.Thirdly, to ensure that the maximum theoretical temperature of the working fluid is reached, the AHT absorber (where high temperature heat is released) is divided into consecutive adiabatic parts followed by diabatic ones. Detailed Models for co-current and counter-current bubble columns as well as packing columns are presented and compared.Main results consist in a selection methodology of organic compounds mixtures, capable of replacing conventional ones specially at temperatures higher than 130 °C. It's also shown that adiabatic columns are better options when latent type heat sources are available while hybrid columns lose less exergy when used with sensible heat sources. As for the absorber, the new operating mode provides the user with higher temperatures than currently reached by available technologies. Finally, using the developed models, tailored and most suitable distillation (adiabatic, diabatic or hybrid columns) and absorber (bubble or packing columns) technologies can be proposed depending on the industrial specific cases and requirements.

Lors de l’installation d’une pompe à chaleur (PAC) double service (chauffage et eau chaude sanitaire (ECS)) dans le secteur résidentiel, la phase de mise en service est délicate : les paramètres à renseigner sont nombreux et non triviaux. Or, le bon fonctionnement de la PAC est très sensible à la qualité de cette étape. Quelques mauvais réglages peuvent entraîner un fonctionnement non optimal, voire un dysfonctionnement important (confort mal assuré). L’objectif de la thèse est de mettre au point une méthode de paramétrage auto-adaptatif modifiant les valeurs de « sortie d’usine » des paramètres pour les adapter au réseau d'émetteurs, à la réponse thermique du bâtiment et aux habitudes chauffage et de consommation d'ECS des occupants. Les paramètres doivent être adaptés à partir des capteurs déjà en place sur la PAC.Le travail de thèse porte d'abord sur l’identification des paramètres clés de la PAC, ceux qui influencent le plus la consommation. On en déduit quelques fonctions à optimiser : ajustement de la loi d'eau, méthode de choix des meilleures séquences de production d'ECS, anticipation de la relance du chauffage. L'objectif est de maximiser le coefficient de performance et de minimiser le recours aux appoints électriques tout en garantissant le confort. Ces objectifs sont atteints en développant des algorithmes de contrôle optimisé. Des modèles neuronaux de prévision de la réponse thermique du bâtiment, du stock d’ECS et des performances de la PAC ont été développés pour ce contrôle optimisé. Les modèles et algorithmes développés ont été validés numériquement et les performances de la PAC comparées à celles avec contrôle classique sans auto-paramétrage. Les solutions proposées ont été appliquées et testées durant une saison sur une PAC réelle sur un banc d'essai semi-virtuel (climat réel et bâtiment virtuel). / Setting control parameters of residential double service heat pumps at the time of installation and commissioning is a delicate matter. Indeed, some parameters are not trivial, there are many to be adjusted and the heat pump operations are quite sensitive to the parameters' values. Poor parameterization can lead to suboptimal heat pump operation or even to important dysfunction (harming thermal comfort).Hence, this thesis aims to develop a method for the heat pump to self-adapt the value of its control parameters. The heat pump should modify if required the "default" settings in order to adapt them to the heat emitters, to the building thermal response and to the occupancy (in terms of thermal comfort and DHW needs). For industrial reasons, this method should use on-board sensors.First, the thesis focuses on identifying the key parameters of the heat pump control, i.e. those with greatest influence on the consumption. This leads to the functions which have to be optimized: heating curve adjustment, time of DHW generation, heating setback anticipation. The objective is to maximize the coefficient of performance and minimize the use of electrical back-ups while ensuring comfort. This is achieved by developing optimized control algorithms. Thanks to forecasts models, based on neural networks, we are able to predict on a short term horizon the building thermal response, the DHW availability and the heat pump performances. The developed models and algorithms have been validated through numerical simulations, and we have evaluated the heat pump performances in comparison to a classic control. The proposed solutions were applied and tested during a heating season on a real heat pump installed in a semi-virtual test bench (real weather and virtual building).

En Europe, le secteur du bâtiment est le plus énergivore et représente environ 40 % de l’énergie totale consommée. A court terme, la façon la plus efficace de baisser cette consommation est de réduire les déperditions thermiques à travers l’enveloppe du bâtiment en augmentant son isolation thermique, tout en minimisant la perte de surface habitable. Dans ce contexte, les travaux de thèse portent sur l’étude et la mise au point pour pré-industrialisation de matériaux super-isolants composites à base d'aérogel de silice. Le matériau composite étudié fait partie de la famille des blankets aérogels et est obtenu via un procédé de séchage ambiant innovant. Grâce à leur faible conductivité thermique et leurs propriétés mécaniques renforcées, les blankets aérogels sont d’un grand intérêt pour l’isolation thermique qui nécessite de fines épaisseurs d’isolants. Les travaux de thèse visent dans un premier temps à effectuer une analyse des propriétés thermophysiques des blankets aérogels étudiés à la sortie du moule de fabrication et vis-à-vis de leur mise en œuvre lorsqu’ils sont soumis à différentes sollicitations (mécaniques, hygriques ...). Des travaux de modélisation du transfert de chaleur dans le blanket aérogel sont développés afin d’étudier les relations entre le transfert thermique et les paramètres morphologiques du matériau. Dans un second temps, les travaux de thèse portent sur l’étude des performances à attendre d’un système d’isolation basé sur le blanket aérogel mis en œuvre sur un bâtiment, à la fois par l’analyse du comportement thermique d’une cellule test en climat réel, ainsi que par la conduite de simulations numériques de bâtiments prenant en compte plusieurs techniques constructives, configurations de murs, et ce, pour plusieurs climats européens. Les résultats obtenus montrent que les blankets aérogels étudiés ont une très faible conductivité thermique –0,016 W.m-1.K-1– et ont un fort potentiel d’application dans l’isolation thermique du bâtiment. / Buildings are the largest energy end-use sector and account for about 40 % of the total final energy consumption in the EU-28. A short-term strategy to efficiently reduce this consumption is to decrease thermal losses through the building envelope by improving its thermal insulation, while minimizing the reduction of the available indoor living space. In this context, the thesis deals with the study and development for pre-industrialization of super-insulating composite materials based on silica aerogel. The studied material is part of the aerogel blanket family and is obtained by an innovative ambient drying process. With a very low thermal conductivity and reinforced mechanical properties, aerogel blankets are of great interest for applications where they can offer a cost advantage due to a space-saving effect. Firstly, the thesis work aims at performing analyses of the thermo-physical properties of the studied aerogel blankets at the exit of the molding and drying processes, and during application, when they are subjected to different environmental stresses (mechanical, hygric …). Heat transfer modeling is developed to study the relationship between the morphological parameters of the material and thermal transfer within it. Secondly, the thesis work focuses on the study of the expected performances of an insulating system based on the aerogel blanket, by the study of the thermal behavior of an experimental building monitored under actual climate, as well as the use of whole building energy numerical simulations taking into account several constructive techniques, different wall configurations, for various European climates. The results obtained show that the aerogel blankets studied have a thermal conductivity as low as 0.016 W.m-1.K-1 and have promising applications for building thermal insulation needs.

La gestion thermique des batteries Li-ion pour le véhicule électrique est essentielle, pour assurer une autonomie et une durée de vie optimales de ces batteries. Habituellement, des circuits d'air ou de liquide de refroidissement sont utilisés comme systèmes de gestion thermique. Cependant, ces systèmes sont coûteux en termes d'investissement et d'exploitation et doivent être dimensionnés sur la puissance maximale à extraire. L'utilisation de matériaux à changement de phase (MCP) pour l’absorption sous forme de chaleur latente de la chaleur à dissiper peut représenter une alternative moins coûteuse et plus facile à utiliser. En effet, les MCP peuvent stocker passivement la chaleur excédentaire produite et être utilisés en tant que systèmes passifs. Cependant, les MCP présentent de nombreux inconvénients comme la difficulté de décharger l’énergie thermique stockée, ce qui limite l’aptitude du système au cyclage, ou encore leur conductivité thermique peu élevée qui limite les capacités d’échange. Pour résoudre le problème de la régénération des MCP, un système actif supplémentaire peut être ajouté, dimensionné sur une puissance modérée; l'ensemble devient alors un système semi-passif. Dans cette étude, un système de gestion thermique composé d'un MCP et d’air en convection forcée est évalué. Ce système permet de coupler les avantages de ces deux techniques. Une modélisation du système est développée pour une cellule de batterie. Une comparaison avec de l’air uniquement, en convection forcée, montre l'utilité du MCP. Pour augmenter la capacité d’échange du MCP, un matériau à haute conductivité thermique peut être ajouté au MCP, ce qui permet d’obtenir un composite ayant une conductivité thermique plus élevée. Des composites basés sur les MCP étudiés et des nanostructures de carbone sont élaborés, leur conductivité thermique est mesurée. Ensuite, un système expérimental simulant la dissipation d’une cellule de batterie est construit et utilisé pour évaluer le MCP seul, le MCP inclus dans une mousse métallique et le meilleur composite obtenu. Enfin, pour se rapprocher des conditions réelles, un modèle représentant un stack entier de batterie est développé, des simulations sont produites et les résultats obtenus sont commentés. / Li-ion battery thermal management is essential for electric vehicles (EVs), to ensure an optimal autonomy and lifespan of those batteries. Usually, air or coolant circuits are employed as thermal management systems. However, those systems are expensive in terms of investment and operating costs and must be dimensioned on the maximal power to be extracted. The use of phase change materials (PCMs) as latent heat storage medium allowing the absorption of the heat to be dissipated as latent heat may represent an alternative cheaper and easier to operate. In fact, PCMs can passively store the excess heat produced by a device and be used as passive systems. However, PCMs have several drawbacks like the difficulty to discharge the stored thermal load which limits the system’s cyclability or their low thermal conductivity which limits their heat transfer capacity. To solve the problem of the PCM regeneration, an additional active system can be added, dimensioned on a moderate power; the whole becomes a semi-passive system. In this study, a thermal management system composed of a PCM and forced air convection is evaluated. This system permits to combine the respective advantages of the two techniques. A model of the system is developed for one battery cell. A comparison with forced air convection only points out the usefulness of the PCM. To overcome the PCM low thermal conductivity, a highly conductive material can be added to the PCM permitting to obtain a composite with a higher thermal conductivity. Composites based on the PCMs studied and carbon nanostructures are elaborated, and their thermal conductivity is measured. Then, an experimental system permitting to simulate the dissipation of a battery cell is build and used to evaluate the PCM alone, the PCM embedded in metal foam and the better obtained composite. Finally, to be closer to the real conditions, a model representing an entire battery stack is developed, simulations are produced and the obtained results are discussed.