Depuis quelques années, une révolution est en cours dans l'industrie des semiconducteurs de type III-V. Les composés azotés, comme le GaN et l'AlGaN ont permis l'apparition de nouvelles sources de lumière bleue, blanche et ultra-violette. Les sources blanches, plus particulièrement, possèdent un impressionnant potentiel commercial, car elles permettront de pénétrer l'immense marché de l'éclairage domestique et industriel. On peut déjà observer leur apparition dans l'industrie de l'automobile (éclairage de tableau de bord, phares de jour), de la signalisation routière (feux de circulation), et la téléphonie cellulaire (éclairage arrière des touches et de l'écran). En effet, les diodes électroluminescentes (DELs) blanches, fabriquées à base de GaN démontrent déjà une efficacité énergétique (en lumens/Watt) qui surpasse les technologies traditionnelles comme les ampoules incandescentes et les tubes fluorescents [IEA, 2006]. Cependant, plusieurs problèmes technologiques limitent l'efficacité des DELs, notamment l'expertise dans la fabrication du GaN. Il s'agit d'une technologie ayant une faible maturité notamment en comparaison avec les autres composés III-V à base de GaAs et InP utilisés traditionnellement dans les télécommunications. De plus, l'indice de réfraction élevé du matériau empêche plus de 93% des photons générés de s'échapper du dispositif, diminuant d'autant l'efficacité. Plusieurs méthodes d'optimisation de la luminosité des DELs sont disponibles dans la littérature. Le détachement du substrat et le collage de la diode à l'envers sur un matériau conducteur est une des méthodes exploitées. Ces méthodes, souvent trop dispendieuses à cause de leur complexité, ont néanmoins démontré un grand potentiel d'amélioration de l'efficacité des dispositifs à base de GaN. L'objectif du projet consiste à développer un procédé de fabrication de DELs bleues dans le but d'augmenter considérablement (x 3) l'intensité lumineuse émise par rapport à des approches de fabrication standard et en utilisant des approches de fabrication à faible coût. Ce document présente une revue de littérature du sujet, de ses problématiques, des objectifs de projet en cours et des méthodes à mettre en oeuvre pour les réaliser dans un délai prescrit.

La présente thèse s'inscrit dans le cadre d'un projet stratégique sur les arénas financé par le CRSNG (Conseil de Recherche en Faculté des sciences Naturelles et en Génie du Canada) qui a pour but principal le développement d'un outil numérique capable d'estimer et d'optimiser la consommation d'énergie dans les arénas et curlings. Notre travail s'inscrit comme une suite à un travail déjà réalisé par DAOUD et coll. (2006, 2007) qui a développé un modèle 3D (AIM) en régime transitoire de l'aréna Camilien Houde à Montréal et qui calcule les flux de chaleur à travers l'enveloppe du bâtiment ainsi que les distributions de températures et d'humidité durant une année météorologique typique. En particulier, il calcule les flux de chaleur à travers la couche de glace dus à la convection, la radiation et la condensation. Dans un premier temps nous avons développé un modèle de la structure sous la glace (BIM) qui tient compte de sa géométrie 3D, des différentes couches, de l'effet transitoire, des gains de chaleur du sol en dessous et autour de l'aréna étudié ainsi que de la température d'entrée de la saumure dans la dalle de béton. Par la suite le BIM à été couplé le AIM. Dans la deuxième étape, nous avons développé un modèle du système de réfrigération (REFSYS) en régime quasi-permanent pour l'aréna étudié sur la base d'une combinaison de relations thermodynamiques, de corrélations de transfert de chaleur et de relations élaborées à partir de données disponibles dans le catalogue du manufacturier. Enfin le couplage final entre l'AIM +BIM et le REFSYS a été effectué sous l'interface du logiciel TRNSYS. Plusieurs études paramétriques on été entreprises pour évaluer les effets du climat, de la température de la saumure, de l'épaisseur de la glace, etc. sur la consommation énergétique de l'aréna. Aussi, quelques stratégies pour diminuer cette consommation ont été étudiées. Le considérable potentiel de récupération de chaleur au niveau des condenseurs qui peut réduire l'énergie requise par le système de ventilation de l'aréna à été mis en évidence.

Ce travail concerne l'étude de l'utilisation des décharges électriques pour traiter des solutions aqueuses contenant des polluants organiques. Lorsque l'énergie électrique est injectée dans la décharge, grâce aux électrons énergétiques elle est en partie convertie en énergie chimique, c'est-à-dire en espèce radicalaires et excitées, qui vont pouvoir réagir sur les molécules présentes et dégrader des polluants. Trois types de décharges électriques ont été analysés : streamer dans l'eau qui est principalement étudiée dans ce travail, arc transitoire dans l'eau et décharge couronne dans l'air humide au-dessus de la surface de l'eau. Un interrupteur à semi-conducteur, permettant d'appliquer une impulsion de tension calibrée, est employé pour minimiser l'énergie perdue par effet Joule, supprimer le claquage, et ainsi optimiser le procédé. En utilisant des électrodes pointe-plan, le type de décharge est choisi en changeant la distance et la durée de l'impulsion de tension. Une étude sur la caractérisation électrique des streamers est effectuée en fonction de la tension appliquée et de la conductivité de la solution afin d'établir un bilan d'énergie électrique dépensée pour créer des streamers. Le rendement énergétique et l'efficacité des trois méthodes sur la dégradation de trois polluants - types sont mesurés par analyses chimiques (dosage par HPLC, mesure de Carbone Organique Total).

Deux fois plus de bien-être en consommant deux fois moins de ressources : visant à l'origine des objectifs d'efficience des modes de production, le concept de " facteur 4 " s'est peu à peu modifié au début du XXIème siècle pour se focaliser sur la division par 4 des émissions de gaz à effet de serre. De nos jours, le facteur 4 est un objectif fractal, faisant référence selon l'échelle étudiée à deux ensembles différents mais reliés : le facteur 4 climatique (à l'échelle nationale) et le facteur 4 énergétique (à l'échelle micro-économique). Le facteur 4 énergétique, transposition des questions climatiques (GES) aux aspects de maîtrise de l'énergie a largement été développé au sein d'un secteur économique : le bâtiment. Ce dernier, de par son gisement d'économies d'énergie, a fait l'objet d'un engouement important s'étant concrétisé par la mise en place de réglementations, labels et scénarios prospectifs dans le but d'orienter et de proposer des directions vers l'atteinte du facteur 4. Malgré tout, la transposition pratique d'objectifs théoriques se heurte à la complexité du système composant ce secteur. Cette complexité est due à la diversité du bâti mais aussi, et surtout, aux nombreux acteurs qu'il est nécessaire de mobiliser. L'enjeu de cette recherche est d'étudier le système complexe que représente le secteur du bâtiment et ses acteurs, face à l'atteinte du Facteur 4. Cette thèse propose notamment d'identifier les points de blocage, ainsi que les facteurs de succès lors d'opérations de rénovation et de construction ; objectif revenant à poser la question suivante : quels sont les freins et leviers d'action rencontrés par les acteurs pour l'atteinte du facteur 4 dans le bâtiment ? Pour ce faire, nous avons choisi d'étudier en détail le cas du département de la Loire et envisagé par la suite la transposition des enseignements tirés sur ce département à l'ensemble de la France. Une vingtaine d'entretiens couplés à un questionnaire semi-directif auprès de plus de 200 acteurs professionnels du bâtiment ont été réalisés. Ces enquêtes qualitatives et quantitatives ont permis d'identifier et classer 24 types de freins, relevant de problématiques financières, techniques, réglementaires et comportementales ainsi que les principaux leviers pouvant permettre de les contourner. Au travers des discours et résultats obtenus, les contraintes financières et comportementales apparaissent prépondérantes pour les acteurs interrogés. Malgré tout, l'enchevêtrement des freins et l'interrelation de ces derniers entre catégories imposent une conclusion : le système actuel, face aux contraintes du facteur 4, nécessite non pas une adaptation voire une évolution mais une refonte des modes de penser et de faire. Cette refonte, prônant les concepts de sobriété et d'efficacité, nécessite d'ordonnancer ces derniers : la sobriété de conception constitue alors une étape préalable à l'efficacité énergétique, elle-même précurseur de la sobriété d'utilisation. Une recherche-action menée sur 3 projets de rénovation sur le territoire de Saint-Etienne Métropole et couplant plus d'une centaine d'entretiens auprès de locataires de logement sociaux confirme cet agencement. Les utilisateurs, acteurs incontournables d'un projet, au travers d'une augmentation de leur niveau de confort conditionnent la sobriété à l'amélioration des niveaux de performances du logement. Cette sobriété, testée au travers de simulations thermiques dynamiques sur trois variables d'utilisation (température, taux d'occupation, fermeture des volets) pouvant permettre une division par deux des consommations du bâti.

La consommation énergétique, et en particulier électrique, des bâtiments est grandement influencée par le comportement de ses usagers. L'analyse de l'usage électrique au travers d'un retour d'expérience réalisé sur une plateforme bâtiment-test nous a permis d'identifier qu'il pouvait exister différentes formes de satisfactions des usagers remettant en question la notion même d'efficacité énergétique d'un bâtiment. Afin de pouvoir intégrer l'acteur humain dans la conception de systèmes complexes bâtiment, nous proposons de définir la notion d'efficacité d'usage énergétique (EUE). Cette notion repose en particulier sur la satisfaction des usagers vis à vis d'un service que l'on a pu décomposer et quantifier au travers de fonctions de satisfaction rationnelles et sensibles. Le but de cette proposition est la construction d'un diagramme de compromis Coût / Satisfaction qui se positionne à la fois comme un outil effectif d'aide à la décision pour la conception de systèmes énergétiques du bâtiment intégrant l'usager et comme outil d'aide à la sobriété énergétique.

Dans un contexte de développement durable, la question énergétique constitue un des problèmes majeurs des décennies à venir. Bien que la solution pour faire face à la raréfaction de certaines ressources, l'augmentation globale de la demande l'augmentation des émissions de CO2, réside dans le développement des énergies renouvelables, il est clair que ces nouvelles technologies ne seront matures que dans plusieurs décennies. A court terme, les énergies fossiles demeureront la source principale d'énergie primaire. Il est donc essentiel de promouvoir de nouvelles méthodologies permettant une utilisation plus rationnelle de l'énergie. Dans le secteur industriel, le développement de centrales de production d'utilités sur le site industriel (en général des centrales de cogénération) contribue grandement à l'amélioration de l'efficacité énergétique des procédés. Traditionnellement, la gestion de ce type de système repose sur une approche séquentielle : ordonnancement de l'atelier de production, calcul des besoins énergétiques et planification de la centrale de cogénération. Toutefois, dans ce type d'approche, l'accent est mis avant tout sur l'atelier de production, la centrale de cogénération étant considérée comme une unité esclave. Pour améliorer le processus de décision, cette thèse développe une approche intégrée pour l'ordonnancement simultanée et cohérent des ateliers de production et des centrales de production d'utilités. La méthodologie proposée repose sur une formulation MILP à temps discret. Par ailleurs, une extension du formalisme RTN a été développée : les ERTN ("Extended Resource Task Network"). Celui-ci permet d'une part, de décrire de manière systématique les recettes et d'autre part, permet une modélisation explicite et générique des différents types de systèmes dont notamment les centrales d'utilités. Les résultats montrent que l'approche intégrée permet d'obtenir une réduction notable du coût énergétique grâce une meilleure coordination des activités de production et de fabrication d'utilités. En effet, les tâches de production sont ordonnancées de manière à consommer sur les mêmes périodes les utilités générées simultanément par la centrale de cogénération, conduisant ainsi à une réduction significative du rapport quantité de biens fabriqués / quantité de carburant consommé et des émissions de gaz à effet de serre. / The issue of energy has emerged as one of the greatest challenges facing the mankind. The search is on for finding alternative sources of energy that will replace fossil fuels as the primary source of energy. However, for the foreseeable future, fossil fuels will remain the main source of energy. Therefore, it is of paramount importance to devise methodologies for more rational use of energy in all walks of human life. In the industrial perspective, the deployment of site utility system (generally CHP plants) provides a great potential source for energy savings. However, the management of such type of industrial units is traditionally carried out using sequential three step approach: scheduling of the production plant, estimation of the utility needs of production plant and finally scheduling of the site utility system. In this kind of approach, all the focus is placed on the production plant and the utility system is treated as its subsidiary. To improve the decision-making process, this thesis proposes an integrated approach which addresses this imbalance by carrying out simultaneous and coherent scheduling of batch production plant and site utility system. The proposed methodology relies on discrete time modeling and uses Mixed Integer Linear Programming (MILP). Moreover, to permit an efficient and generic formulation of various kinds of industrial problems, a new scheduling framework called Extended Resource Task Network (ERTN) has been developed. The ERTN framework (an extension of existing RTN framework) allows for accurate representation and scheduling of any type of production plant and any type of site utility system. The results show that the integrated approach leads to better synchronization between production plant and site utility system. Thereby, the integrated approach leads to significant reduction in energy costs and decrease in harmful gas emissions.

On appelle clinker le matériau obtenu par cuisson de calcaire et d'argile et qui constitue le principal ingrédient du ciment Portland, composant essentiel de la majorité des bétons produits dans le monde. Ce clinker doit être finement broyé avant de pouvoir présenter une réactivité suffisante. La maîtrise des procédés de broyage représente un enjeu considérable pour l'industrie cimentière : il s'agit du premier poste en termes de consommation électrique d'une usine, en partie du fait de l'inefficacité des procédés employés. Les techniques de broyage par compression, apparues au cours des années 80, ont constitué un progrès majeur du point de vue de l'efficacité énergétique, mais la généralisation de leur utilisation a été freinée par des problèmes de maîtrise du procédé, en particulier pour des finesses importantes. L'enjeu de cette thèse est une meilleure compréhension des phénomènes en jeu lors du broyage par compression du clinker, en vue d'un meilleur contrôle des installations industrielles lors de la fabrication de produits fins. Nous nous sommes intéressés en particulier au comportement, du point de vue fondamental, d'un matériau granulaire subissant une fragmentation de ses grains, en nous appuyant sur la simulation numérique d'un Volume Elémentaire Représentatif de matière par les éléments discrets (DEM). Nous avons aussi recherché une loi de comportement permettant de relier contraintes, déformation, et évolution de la taille des particules pour le matériau broyé, en nous appuyant à la fois sur la micromécanique et les techniques d'homogénéisation, et un modèle semi-empirique de bilans de masses. Enfin, un premier pas vers la modélisation du procédé industriel et notamment sa simulation par éléments finis a été esquissé, afin de résorber les difficultés rencontrées en pratique par les industriels / Noindent Clinker is the material obtained by calcination of a mix of clay and limestone, and it is the main component of Portland cement, a crucial ingredient for the majority of concrete used around the world. This clinker must be finely ground to have a sufficient reactivity. Mastering the grinding process is a key issue in the cement industry: it is the first source of expense in terms of electric consumption in a factory, partially because of the overall inefficiency of the process. Compressive grinding techniques, first appeared during the 80's, allow major improvements in terms of energy efficiency, but the general implementation is yet to come, hindered by process control issues, especially for high fineness. The goal of this study is a better understanding of phenomenons occurring during compressive grinding of clinker, in order to provide better process control for industrial installations when dealing with fine products. We particularly choose to study the behaviour, on a fundamental point of view, of a granular material subjected to grain fragmentation, using the numerical simulation of an Elementary Representative Volume of material through Discrete Element Method (DEM). We also looked for a behaviour law able to provide a link between stress, strain, and grain size evolution for the ground material, using at the same time micromechanics and homogenization technique, and a semi-empirical mass balance model. Finally, we made first efforts in the direction of modelling the whole process through numerical simulation by Finite Element Method (FEM), in order to tackle the issue met by the industrials in operations

La recrudescence et le déploiement de nouveaux services et applications dans les systèmes de communication, ainsi que le nombre toujours croissant d'utilisateurs, conduisent à une augmentation de la consommation d'énergie des réseaux et technologies de l'information et de la communication, ce qui contribue de façon significative au réchauffement climatique. Ainsi, pour satisfaire aux exigences énergétiques aussi bien pour les réseaux sans fil que filaires, de nouvelles approches doivent être développées. Dans un premier temps, nos travaux de recherche se focalisent sur les mécanismes d'allocation des ressources de systèmes point-à-point dans deux modes de transmission (mono-porteuse et multi-porteuses) avec pour objectif la minimisation de l'énergie consommée. Dans cette partie, nous présentons une nouvelle approche appelée ultra large bande (ULT) ainsi qu'un nouvelle métrique pour les systèmes de communication. En se basant sur cette nouvelle approche, des algorithmes d'allocation des ressources sont proposés afin d'améliorer l'efficacité énergétique des réseaux sans fil et des réseaux filaires, dont notamment les réseaux CPL (courant porteur en ligne).Dans un second temps, nous étudions les techniques impulsionnelles ultra large bande (ULB). Un simulateur logiciel de laisoon point-à-point ULB impulsionnelle, générique et paramétrable a été développé. L'objectif est d'améliorer l'efficacité énergétique d'une laison ULB. les différents paramètres du systèmes (largeur de l'impulsion, temps de garde, nombre d'impulsions transmises) sont exploités afin d'optimiser les performances du système. / The demand for new services and applications in communication systems, as well as the number of users, are steadily increasing. This growth invoves a great use of energy in information and communications technologies , which contributes significantly to global warming. Furthermore, to satisfy the energy requirements for both wired and wireless networks, new approaches must be developed..Firstly, our researches focus on resources allocation mechanisms in point-to-point systems for two transmission modes (single-carrier and multi-carrier) with the goal of minimizing the energy cosumption. In this part, we present a new approach called ultra wide time (UWT) and a new metric for communication systems. Based on this approach, efficient algorithms for resource allocation are proposed to improve energy efficiency in wireless and wired networks.

Notre thèse tente de répondre à la question suivante : « Dans un contexte intégrant des caractéristiques identiques favorables à une réduction ou une modération de la consommation d’énergie domestique, celui du logement social locatif ayant fait l’objet d’un programme de réhabilitation thermique, tous les individus ont-ils des pratiques énergétiques semblables et quels sont les facteurs explicatifs de ces pratiques et de leurs possibles différences ? Dans un premier temps, considérant que l’on ne consomme pas de l’énergie pour elle-même mais pour produire un service par le moyen obligé d’un bien de service de l’énergie, nous avons identifié les pratiques des ménages en introduisant une classification selon qu’elles induisent une consommation ou, à l’inverse, une réduction de la consommation. A côté des pratiques d’acquisition d’équipement et de leur usage, nous avons également relevé des pratiques alternatives ou impliquant des tiers ayant pour effet induit une réduction de consommation. Dans un deuxième temps, nous avons repéré divers facteurs sous-tendant ces pratiques que nous avons regroupés en quatre catégories distinctes : l’identité y apparait comme centre intégrateur jouant un rôle clé. Sur ces bases, nous avons établi un profil pour chaque individu, rendant compte d’un alignement de caractéristiques favorables et défavorables à une réduction de consommation. Dans un troisième temps, nous avons pu repérer des similitudes entre profils, peu corrélées aux classifications statistiques habituelles, d’où nous avons extrapolé quatre types distincts. Ces fortes différences entre profils des individus, dont l’identité constitue le pivot, meten évidence la nécessité de leur prise en compte dans une perspective opérationnelle. Notre thèse interroge le modèle de consommation et de vie en société, ouvre des pistes vers la consolidation de l’efficacité énergétique, vers la sobriété en équipements, et l’enrichissement des identités sociales relationnelles. / This thesis aims to answer the following question: In a context integrating similar technical characteristics favorable to a reduction or moderation of household energy consumption, within a rental social housing project that was recently the object of a thermal rehabilitation program, do all the individuals display similar energy practices, and what are the explanatory factors for these practices and their differences, if any? Firstly, considering that energy is not consumed for itself but for producing a service by means of the consumption of various energy generating goods, we identified the household’s practices by introducing a classification of these practices according to whether they lead to an increase or to a reduction in consumption. Regarding practices of equipment acquisition and their use, we also have identified practices involving third parties as well as alternative practices leading to a reduction in consumption. Secondly, we identified various factors underlying these practices which we were able to group into four different categories among which identity appears as an integrating factor playing a key role. On these bases, we established a profile for each individual, showing a certain alignment of the characteristics that are either favorable or unfavorable to reduced consumption. Thirdly, we observed similarities between the profiles, weakly correlated with the usual statistical classifications, from which we have extrapolated four truly different types. These strong differences between individuals’ profiles, whose identity constitutes the pivot,highlights the importance of their consideration in an operational perspective. The thesis questions the pattern of consumption and life in our society and opens perspectives towards the consolidation of energy efficiency, towards moderation in equipment use, and towards the enrichment of relational social identities.

Dans un contexte où les ressources énergétiques sont moindres et la demande en termes de débit de communication est forte, il est intéressant de proposer des solutions techniques au niveau de la couche physique permettant d’optimiser la consommation énergétique de systèmes. Actuellement, pour une localisation précise et un transfert de données entre voie et trains efficace, la signalisation ferroviaire exploite des balises disposées entre les rails. La durée possible de la communication entre trains et balises s’avère très brève et n’est effective que lorsque le train passe juste au-dessus de la balise. Celle-ci reste en état de veille jusqu’à ce que le train la télé alimente lors de son passage. Le temps de communication utile entre le train et la balise s’établit à 3-4 ms pour un train roulant à 300 km/h. Par conséquent, plusieurs équipements consécutifs doivent être installés si l’on veut accroître la durée d’échange ou encore la quantité de données échangées. En outre, le fait d’émettre continument un puissant signal de télé alimentation radiofréquence non exploité depuis tous les trains en circulation, la difficulté de maintenance liée à la présence de cet équipement entre les rails, ainsi que la portée et donc la capacité de communication réduites des balises actuelles constituent autant de limitations que nous tentons de pallier avec ce nouvel équipement. Dès lors, nous développons une nouvelle génération de balise ferroviaire fondée sur un lien radiofréquence qui possède une portée atteignant quelques mètres, nettement plus importante que celle exploitable actuellement. Cette balise est également située en bord de voie et non entre les rails pour des questions de facilité de maintenance. Nous utilisons une technique de focalisation du signal émis depuis la balise vers l’antenne embarquée sur le train. Puisque la distance de communication balise au sol - interrogateur est portée à quelques mètres, la télé alimentation par couplage inductif actuelle n’est plus possible. Disposer d’une infrastructure centrale pour alimenter toutes les balises présentes sur le réseau n’est pas réaliste non plus. Une solution raisonnable et économe consiste à générer de l’énergie électrique basse tension localement en utilisant des énergies renouvelables (solaire, éolienne…), et en limitant le plus possible la consommation d’énergie de l’électronique de la balise. Dans cette optique, la contribution scientifique présentée consiste à développer et à optimiser, en termes d’énergie consommée, la couche physique de communication de cet équipement. / In railway signaling, accurate and safe localization of trains is of paramount importance for the safe exploitation of railway networks. Therefore, train odometry has received considerable interest. Usually, train odometers manage different embarked sensors including wheel counters and Doppler radars that compute the position and the speed of the trains. However, as trains move, these proprioceptive sensors accumulate drifts and, as a consequence, train localization accuracy is compromised after several kilometers. In order to fix this drift problem, railway signaling uses beacons installed at ground, on the track, between the rails. Installed every several kilometers, they transmit absolute localization information to trains passing over them thus, bringing back locally the drifts to zero. These beacons constitute major components of railway signaling and also one of the very last equipment installed between the rails. Existing railway beacons are placed on the rails for two main reasons. First of all, since in these conditions the radio link between the train and the beacons remains very short, in the order of a few tens of centimeters, placing the beacons on the rails is very helpful to deliver an accurate local absolute localization to the train. Moreover using this very short radio communication range, while passing over them, trains can supply electrical energy to the beacons by magnetically coupling radiofrequency energy from the train to the beacon. This radiofrequency energy is detected and converted in DC power supply to feed the beacon electronics. This very short range leads to a satisfactory transfer of energy between train and beacon. As indicated previously, beacons can just be position indicators; however, they can also handle communication between grounds and trains using a peer to peer radio link. In this case, communication is only active when the train passes over the beacons, thus, the effective communication time is very short. As another major drawback of this particular implementation between the rails, track maintenance requires disassembling the beacons and then repositioning them safely and accurately.