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Les sources renouvelables (solaire, éolien, vapeur d'eau atmosphérique) représentent des solutions alternatives intéressantes pour répondre aux besoins de certaines populations isolées sans électricité et en stress hydrique (moins de 15 L d'eau par jour). Des condenseurs radiatifs de production d'eau douce potable ont été élaborés par l'utilisation d'un phénomène naturel (refroidissement radiatif) ne nécessitant pas d'apport d'énergie. Depuis 2000, l'Université de Corse, le CEA et le CNRS se sont conventionnés pour développer des outils et des technologies performantes pour effectuer la transition entre des prototypes de laboratoire et des systèmes réels. Afin de s'approcher du rendement théorique maximum (0,8 L m-2), des protocoles de mesure, puis des prototypes " plan "de 30 m² ont été construits. Un code numérique (CFD) a été développé pour estimer les performances de systèmes complexes à grande échelle (plusieurs centaines de m²) avant leur installation. De nouveaux matériaux de condensation faisant l'objet d'un brevet déposé, sélectifs en longueur d'onde, ont été formulés pour répondre à la fois à des contraintes de climatisation passive des bâtiments en cycle diurne et de production d'eau en cycle nocturne. En partenariat avec l'association OPUR (www.opur.u-bordeaux.fr), une toiture de démonstration de 15,1 m² à Biševo en Croatie (0,181 mm en moyenne), ainsi qu'une usine de production de 850 m² (15000 m² à terme) confirment le potentiel de la technologie puisque les rendements attendus pourront atteindre 5 m3 d'eau par jour. Parallèlement, le solaire et l'éolien, dans un système hybride de production d'énergie décentralisée (couplés avec une source auxiliaire type fossile ou hydrogène) peuvent pallier l'absence d'électrification de certaines régions du Globe. Dans ce mémoire, des codes de calcul de dimensionnement de ces systèmes ont été élaborés pour une optimisation physique et économique de ces techniques répondant soit à l'électrification de sites isolés soit à la production massive d'électricité par connexion à un réseau de distribution pour différentes applications (relevage de chutes de tension ou production en continu). Les résultats obtenus permettent d'envisager l'utilisation du couplage EnR-H2. A ce titre, notre équipe de recherches a obtenu le financement d'une centrale PV-H2 sur le site du laboratoire : 3,6 MW couplé à un électrolyseur et une pile à combustible de puissance de plus de 100 kW.

Ce manuscrit de thèse s'intéresse à la modélisation et au contrôle des réfrigérateurs cryogéniques. Le cas particulier des réfrigérateurs soumis à de fortes variations de charges thermiques est étudié. Un modèle de chaque objet pouvant se trouver dans un réfrigérateur est proposé. La méthodologie d'assemblage pour obtenir le modèle des sous-systèmes qui composent le réfrigérateur est présenté, accompagnée de la méthode permettant d'obtenir une approximation linéaire des modèles des sous-systèmes. Grâce aux modèles développées, des lois de commande avancées sont synthétisées. Un contrôleur linéaire quadratique pour les stations de compression à deux ou trois niveaux de pression est proposé, ainsi qu'un contrôleur prédictif sous contrainte pour la boite froide. La particularité de ces stratégies de contrôle est qu'elles sont compatibles avec un automate programmable industriel (API) , doté d'une capacité de calcul et de stockage de donnée réduite. La capacité de prédiction en boucle ouverte du modèle développé est validé au regard de données expérimentales et les stratégies de contrôle sont validés en simulation et expérimentalement sur la station d'essais 400W@1.8K du SBT et sur la station de compression du LHC, au CERN. / This manuscript is concern with both the modeling and the derivation of control schemes for large cryogenic refrigerators. The particular case of those which are submitted to highly variable pulsed heat load is studied. A model of each objet that normally compose a large cryorefrigerator is proposed. The methodology to gather objects model into the model of a subsystem is presented. The manuscript also shows how to obtain a linear equivalent model of the subsystem. Based on the derived models, advances control scheme are proposed. Precisely, a linear quadratic controller for warm compression station working with both two and three pressures state is derived, and a predictive constrained one for the cold-box is obtained. The particularity of those control schemes is that they fit the computing and data storage capabilities of Programmable Logic Controllers (PLC) with are well used in industry. The open loop model prediction capability is assessed using experimental data. Developed control schemes are validated in simulation and experimentally on the 400W@1.8K SBT's cryogenic test facility and on the CERN's LHC warm compression station.

L'énergie utilisable est la partie de l'énergie d'un système qui est virtuellement convertible afin de créer un travail. Elle est aussi connue sous le nom d'exergie (littéralement «travail extractible») en thermodynamique. Une notion d'énergie utilisable a été développée indépendamment dans le domaine de la météorologie, tout d'abord par Margules (1903) et Lorenz (1955), puis par Dutton (1973) et Pearce (1978). Le but de cette thèse est l'étude des propriétés locales de la fonction enthalpie utilisable spécifique qui est une forme particulière de l'exergie. Il apparaît que l'enthalpie utilisable synthétise et précise les travaux de Dutton et de Pearce pour le cas d'une atmosphère en équilibre hydrostatique, c'est aussi un cas particulier de la pseudo-énergie introduite par Shepherd (1993), un autre cas particulier étant l'approche de Lorenz. Un cycle énergétique analogue à ceux de Lorenz et de Pearce est défini pour l'étude d'une couche isobare d'un domaine limité. Une application numérique au cas d'une onde barocline d'échelle sous-synoptique est ensuite présentée, elle démontre l'importance des termes dus aux flux aux frontières du domaine, alors que dans le même temps les chemins barocline et barotrope des conversions d'énergie restent analogues à ceux classiquement envisagés en météorologie. Enfin, on décrit une généralisation au cas d'une atmosphère humide où l'influence énergétique des différentes phases de l'eau est explicitement prise en compte

Les contraintes environnementales de plus en plus fortes ainsi que les problèmes grandissants de la disponibilité des ressources énergétiques obligent le secteur de l'énergie non seulement à une évolution importante de ses technologies mais aussi à leurs utilisations plus rationnelles. Ce mémoire présente la synthèse de mes initiatives de recherches menées sur le stockage et le transport de l'énergie par chaleur latente essentiellement dans le domaine du froid. Les Matériaux à Changement de Phase solide-liquide sont utilisés afin de stocker l'énergie de manière efficace en bénéficiant de la chaleur latente de changement d'état. Après la caractérisation thermophysique des matériaux utilisés et l'étude de la maîtrise de la surfusion, un procédé utilisant l'encapsulation du MCP est analysé montrant son intérêt. Quelques études complémentaires plus fondamentales ont permis de mieux comprendre les phénomènes couplés de thermique et d'hydrodynamique rencontrés avec les MCP. Le changement d'état est aussi utilisé pour transporter l'énergie. Les fluides frigoporteurs diphasiques sont utilisés dans les systèmes à refroidissement indirect. Des études sur les parties génération, stockage et transport ont été menées sur des coulis de glace constitués d'un mélange de cristaux de glace dans une solution aqueuse. Ces fluides frigoporteurs secondaires offrent des avantages intéressants pour le transport d'énergie et l'amélioration des transferts dans des échangeurs de chaleur, en particulier grâce à la chaleur latente de fusion de la glace. Une meilleure gestion de l'utilisation de ces technologies est indispensable. Des analyses thermodynamiques basées non seulement sur les notions énergétiques mais aussi exergétiques permettent une optimisation intéressante du fonctionnement des procédés.

Le développement des équipements portables, des réseaux de capteurs sans fil et systèmes auto-alimentés d'une manière générale génère une forte demande pour les dispositifs de récupération de micro-énergie. Une des voies les plus intéressantes pour auto-alimenter des dispositifs consiste à développer des systèmes recyclant l'énergie ambiante afin de renouveler sans cesse l'énergie consommée par le dispositif. En dehors de la récupération d'énergie électromécanique, il est également intéressant de convertir l'énergie thermique, qui est «disponible» partout, en énergie électrique. Au cours de cette thèse, la conversion d’énergie thermique en énergie électrique fondée sur des variations temporelles de température a été développée et améliorée. Parmi les matériaux ferroélectriques, des monocristaux de PZN-4.5PT et le terpolymère P(VDF-TrFECFE) 61.3/29.7/9 mol % ont été choisis comme matériaux actifs en raison de leurs propriétés remarquables sous champ électrique. En utilisant des cycles thermodynamiques intelligents, par exemple, Ericsson ou à cycle de Stirling, l'efficacité de la conversion de l'énergie pourrait être considérablement améliorée. Dans la première partie, la récupération d'énergie pyroélectrique en utilisant des monocristaux de PZN-4.5PT a été principalement étudiée sous deux aspects: l'effet de fréquence et des transitions de phase sur les cycles d’Ericsson. Il a été montré que l'énergie récupérée diminue de façon non linéaire avec une augmentation de la fréquence. De plus, l’utilisation optimale des transitions de phase pendant le cycle d’Ericsson permet d’améliorer grandement l’énergie récupérée en choisissant une gamme de température de travail appropriée. A partir de ces résultats, deux cycles d’Ericsson asymétriques (LH et HL) ont été réalisés avec succès. Avec les monocristaux de PZN-4.5PT, le cycle HL est le cycle le plus efficace pour la conversion d’énergie thermique en énergie électrique. La deuxième partie traite de la récupération d'énergie électrostatique via la variation non linéaire de la capacité du terpolymère P(VDF-TrFE-CFE) 61.3/29.7/9 mol %. Un cycle d’Ericsson a été réalisé entre 25 et 0°C et comparé à sa simulation à partir de la valeur de la constante diélectrique sous champ électrique DC. La concordance entre la simulation et l’expérience a prouvé la fiabilité de notre évaluation théorique. A partir de la simulation, l'énergie récupérée augmente jusqu'à 240 mJ/cm3 en appliquant un champ électrique de 80 kV/mm. Des cycles de Stirling et d’Ericsson ont également été simulés sous différentes variations de température et champ électriques. L'énergie récupérée augmente avec l’accroissment de la variation de température et de la valeur du champ électrique appliqué et ceci quelque soit le cycle réalisé. Contrairement au cycle d’Ericsson, un cycle de Stirling peut récupérer plus d'énergie pour une même énergie injectée. / The development of portable equipments, wireless sensors networks and self-powered devices in a general manner generates a strong demand for micro-energy harvesting devices. One of the most challenging ways to self power devices is the development of systems that recycle ambient energy and continually replenish the energy consumed by the system. Apart from electromechanical energy harvesting, it is also interesting to convert thermal energy, which is “available” everywhere, into suitable electrical energy. In this thesis, the thermal to electrical energy conversion from temperature fluctuations was developed and improved, and the feasibility of this technique was also confirmed by implementing the experimental experiment. Among different ferroelectric materials, PZN-4.5PT single crystal and P(VDF-TrFE-CFE) 61.3/29.7/9 mol% were chosen as active materials due to their outstanding properties under electric field. By means of some intelligent thermodynamic cycles, e.g., Ericsson or Stirling cycle, which has been presented in previous research, the efficiency of energy conversion could be improved greatly. In the first part, pyroelectric energy harvesting on PZN-4.5PT single crystals with an Ericsson cycle was mainly investigated from two aspects: frequency effect and phase transitions. It was shown that the harvested energy demonstrated a nonlinear decrease with an increase of frequency, and the optimal use of the phase transitions during the Ericsson cycle could greatly improve the harvested energy by choosing the appropriate working temperature range. Based on it, two asymmetric Ericsson models (L-H and H-L cycles) were attempted successfully, and it was confirmed that the H-L cycle is the most effective thermal energy harvesting cycle for this material. The second part concentrated on electrostatic energy harvesting by nonlinear capacitance variation on P(VDF-TrFE-CFE) 61.3/29.7/9 mol% terpolymer. Ericsson cycle was tested experimentally between 25 and 0°C and compared with the simulation from dielectric constant values obtained under DC electric field. The identical result between simulation and experiment proved the reliability of our theoretical evaluation. It was found, from simulation, that the harvested energy increased up to 240 mJ/cm3 when raising the electric field at 80 kV/mm. The further study on Ericsson and Stirling cycle was also made under different temperature and electric field conditions for evaluation. The harvested energy increases with the rising of temperature variation and electric field in both cycles, but in contrast to Ericsson cycle, Stirling cycle can harvest more energy for the same injected energy.

Le présent travail est une contribution au domaine de la récupération de l’énergie. La conversion mise en place est faite à échelle centimétrique, les puissances électriques produites étant suffisantes pour alimenter des dispositifs à basse consommation, comme par exemple les capteurs sans fil. Une technologie innovante pour la récupération de l’énergie thermique est proposée, l’objectif étant de fabriquer des dispositifs fins, flexibles et bas coût pour une utilisation sans radiateur. Le fonctionnement choisi repose sur une conversion de la chaleur en électricité en deux étapes : thermomécanique (réalisée avec des bilames thermiques) et mécano-électrique (réalisée avec des piézoélectriques). Plusieurs prototypes ont été élaborés, aboutissant à des dispositifs matriciels flexibles, d’une épaisseur de quelques millimètres et fonctionnant sans radiateur avec refroidissement par convection naturelle. Les signaux générés sont des pics de tension qui dépassent les 10 V, pour une puissance mécanique disponible autour de 200 µW à 75°C. Plusieurs études ont été réalisées pour l'optimisation des dispositifs et la caractérisation de leurs composants. Leurs lois d’échelle ont été déduites, prédisant un gain en puissance avec la miniaturisation. Des modèles ont été proposés pour le comportement du piézoélectrique et pour le comportement thermique d’un dispositif. Les premiers cas d’usage ont été identifiés et les premiers tests ont été faits dans les environnements proposés par des potentiels utilisateurs. / The present work is a contribution to the domain of energy harvesting. The developed conversion is made at centimeter scale, and the generated electrical power is sufficient for low power devices, as for example wireless sensor nodes. An innovative technology for heat energy harvesting is proposed, with the goal to fabricate thin, flexible, and low cost devices for a use without a heat sink. Their working principle relies on a two-step conversion of heat into electricity: thermo-mechanical (with thermal bimetals) and mechanoelectrical (with piezoelectrics). Several prototypes have been built, resulting in flexible matrix devices that are a few millimeters thick and work without a heat sink with natural convection. The generated signals are voltage peaks above 10 V, for an available mechanical power in the order of 200 µW around 75°C. Several studies have been done for the optimization of the devices and the characterization of their components. Scale laws have been established, and predict significant power gain with miniaturization. Analytical models have been elaborated for the behavior of the piezoelectric and for the thermal behavior of a device. The first use cases have been identified, and the first tests have been performed in environments proposed by potential end users.

Dans le contexte actuel des changements globaux, les êtres vivants sont soumis à de nouvelles pressions sélectives dans des environnements modifiés par les activités anthropiques, et nous assistons à l’émergence de pièges évolutifs. Se déplacer peut être appréhendé comme une conséquence de ces changements, mais aussi comme l’opportunité pour un individu, une population ou une espèce, de s’adapter, à diverses échelles spatio-temporelles, en changeant de site d’alimentation, de domaine vital ou d’aire de répartition. Dans mon travail de thèse, je me suis intéressée aux comportements de prospection alimentaire du vautour fauve (Gyps fulvus), appartenant à la guilde fonctionnelle des nécrophages stricts, qui est la plus menacée parmi les oiseaux à l’échelle mondiale. Des plans de conservation ont été mis en place pour enrayer leur déclin, dont certaines mesures de gestion comme le soutien alimentaire (SA) peuvent néanmoins constituer de véritables pièges évolutifs (des sites attractifs sous-optimaux) pour les vautours. A partir de l’analyse des déplacements journaliers à fine échelle d’individus équipés de balises GPS, et par l’étude des domaines vitaux, j’ai mis en évidence des différences intra- et inter-populationnelles en termes de stratégies d’occupation de l’espace et de recherche alimentaire chez les vautours fauves présents dans deux régions françaises où le SA est élevé (Causses) ou faible (Pyrénées). Grâce à de nouvelles méthodes pour quantifier les routines comportementales, j’ai démontré que les visites des vautours aux sites de SA sont peu stéréotypées et routinières dans les Causses, tant au niveau spatial que temporel. Malgré une utilisation de l’espace à large échelle très différente entre les Causses et les Pyrénées, ainsi qu’un budget temps différent (plus longue durée de vol dans les Causses), le budget énergétique diffère peu entre les deux populations. Au-delà du niveau de prévisibilité des ressources – inhérent au SA - j’ai identifié d’autres facteurs influençant vraisemblablement les prises de décision comportementales des individus : l’état motivationnel de l’individu lié à son statut de reproduction, et les conditions aérologiques locales. Inscrit à l’interface entre écologie comportementale et biologie de la conservation, mon travail de doctorat participe à une meilleure compréhension des patrons d’utilisation de l’espace et des processus en jeu à différentes échelles spatio-temporelles chez une espèce nécrophage stricte. Les acteurs de la conservation pourront s’appuyer sur mes résultats et propositions de gestion pour maintenir les comportements naturels des vautours, et à termes, la viabilité des populations. / In the current context of global change, organism are exposed to new selective pressures in their environments modified by human activities, and we observe the emergence of evolutionary traps. Moving can be interpreted as a consequence of these global changes, but also as the opportunity for an individual, a population or a species to adapt, at different spatio-temporal scales, by modifying their feeding sites, home range or distribution area. During my PhD, I was interested in studying the foraging of Griffon vultures (Gyps fulvus) belonging to the functional guild of obligate scavengers, which are the most threatened birds worldwide. Conservation plans have been carried out to limit their decline, proposing management practices such as supplementary feeding (SF) that may constitute an ecological trap (attractive but suboptimal sites) for vultures. Analysing of fine-scale daily movements and home ranges of individuals equipped with GPS devices, I found significant differences of foraging strategies and space use patterns in vultures from two French regions with low vs high SF (Pyrenees vs Causses). Using recent methods to quantify behavioral routines, I demonstrated that vultures visited SF stations in the Causses with low level of routine, both spatially and temporally. In spite of the distinct large-scale movement patterns between the individuals in the Causses and the Pyrenees, as well as different time-budgets (birds spending more time in flight in the Causses), energy expenditure estimated at the population level are quite similar. Beyond the level of resource predictability - inherent to SF - I highlighted other factors likely to influence individuals’ behavioral decision-making: the individual’s motivational state related to its breeding status, and local aerological conditions. At the interface between behavioral ecology and conservation biology, my work should contribute to a better understanding of the space use patterns in an obligate scavenger and the processes involved at different spatio-temporal scales. Conservationist will be able to use my results and management recommendations to maintain the natural behavior of vultures and, finally, populations’ viability.

Dans les réseaux sans fil distribués où plusieurs antennes ne peuvent pas être intégrées dans un même nœud de communication, les techniques MIMO (Multiple Input Multiple Output) coopératives permettent d'exploiter le gain de la diversité spatio-temporelle pour augmenter les performances ou réduire l'énergie consommée pour les communications. Dans cette thèse, des stratégies MIMO coopératives sont proposées pour les réseaux de capteurs sans fil (RCS), où la consommation d'énergie est la contrainte la plus importante. Leur avantage en termes de taux d'erreur et de consommation d'énergie sur les techniques mono-antenne (SISO), même multi-étapes, et sur les techniques de relais, est clairement mis en évidence. Une sélection du nombre d'antennes d'émission et de réception, optimale en termes d'efficacité énergétique, est également proposée en fonction des distances de transmission. Les inconvénients du MIMO coopératif, comme les imperfections de synchronisation à l'émission ou les bruits additifs en réception, qui affectent leurs performances dans les réseaux sans fil distribués, sont abordés. Deux nouvelles techniques de réception coopérative basées sur le principe de relais, ainsi qu'une nouvelle technique de combinaison spatio-temporelle sont proposées afin d'augmenter l'efficacité énergique de ces systèmes MIMO coopératifs. Enfin, des comparaisons de performance et de consommation d'énergie entre les techniques MIMO coopératives et de relais montrent que leur utilisation dépend beaucoup de la topologie du réseau et de l'application. Une stratégie d'association est proposée pour exploiter simultanément les avantages des deux techniques de coopération.

La mitochondrie est un centre de régulation métabolique à la fois intégrateur de signaux (visant à ajuster son fonctionnement selon les besoins énergétiques cellulaires) et initiateur de voies rétrogrades (permettant une réponse cellulaire à des changements d'états fonctionneles de la mitochondrie). Ce travail s'intéresse plus particulièrement au métabolisme oxydatif mitochondrial et aux voies de signalisation activées, dans les cellules HepG2, lors de deux situations de stress énergétique : le découplage mitochondrial constitue un signal conduisant les cellules à développer leur métabolisme oxydatif sans modifier la glycolyse (notamment par activation de la transcription de gènes codant pour des protéines mitochondriales). La mitochondrie est également une des cibles du traitement par glucocorticoïdes, ces hormones induisant à la fois des effets à court terme et à long terme. les effets rapides (modification de l'activité des complexes I, II et III de la chaîne respiratoire mitochondriale) sont non génomiques et impliquent la fixation de la dexamethasone sur un récepteur membranaire. Ces effets sont médiés par l'activation calcium-dépendante de la protéine p38MAPK. Les effets à long terme (augmentation de la capacité de la chaîne respiratoire) sont transcriptionnels et nécessitent le recrutement du récepteur intracellulaire classique aux glucocorticoïdes. Les modifications du fonctionnement de la chaîne respiratoire mitochondriale par les glucocorticoïdes sont induites par le recrutement graduel de différents sites de liaison aux glucocorticîdes (membranaire et intracellulaire).