Le paradigme ΛCDM est le modèle standard de la cosmologie. Dans ce modèle, l'univers est constitué aujourd'hui en majeure partie par de la matière noire froide (CDM) et la constante cosmologique Λ qui produit l'accélération cosmique. Cependant, ce modèle standard n'est pas entièrement complet. L'utilisation de la constante cosmologique introduit des problèmes théoriques dans une description de la théorie des champs quantiques et des indications observationnelles suggèrent que notre description à grande échelle de l'univers devrait être affinée. Ainsi, trouver des alternatives au modèle standard est d'une importance cruciale aujourd'hui. / The ΛCDM paradigm is the standard model of cosmology. In this model, the universe is constituted today for the major part by Cold Dark Matter along with the Cosmological Constant Λ that drives cosmic acceleration. However, this standard model is not fully complete. Using the Cosmological Constant introduces theoretical issues in a quantum field theory description and tentative observational evidences suggests our large scale description of the universe should be refined. Finding alternatives to the standard model is therefore of crucial importance today.

Le présent travail de thèse porte sur la synthèse et la caractérisation de nouvelles molécules et matériaux à base de polyoxométallates (POMs) pour des applications dans les domaines de l’énergie et l’environnement. Dans le domaine de l’environnement, notre choix s’est porté sur la transformation électro-catalytique et photo-catalytique des espèces polluantes comme les oxydes d’azote et les colorants azoïques toxiques comme l’Acide Orange 7. Pour ce qui concerne le domaine de l’énergie, nous nous sommes focalisés sur des systèmes électro- catalytiques pour la production de l’hydrogène (combustible à fort pouvoir calorifique) et pour la réduction du di-oxygène (intérêt dans le fonctionnement des piles à combustibles). Ces réactions nécessitent généralement plusieurs électrons pour se produire, c’est pour cette raison que notre choix s’est porté sur les catalyseurs à base de POMs. En effet, les POMs sont capables de stocker, puis de restituer, un grand nombre d’électrons sans changer de structure.Dans la première partie, divers POMs qui prennent en sandwich plusieurs métaux de transition sont synthétisés et caractérisés par des méthodes expérimentales (voltamétrie cyclique, coulométrie, microbalance) et théoriques (calculs DFT). Ces composés montrent une très bonne activité électro-catalytique pour la réduction des substrats tels que les oxydes d’azote, le di-oxygène et le peroxyde d’hydrogène.Dans la seconde partie, des matériaux aux propriétés améliorées sont synthétisés par incorporation de POMs dans des matrices tels que les réseaux moléculaires de type MOF (Metal Organic Framework) et dans les polymères liquides ioniques. L’association avec un semi-conducteur comme le TiO₂ est aussi considérée. Les matériaux obtenus sont caractérisés par diverses techniques : infrarouge à transformée de fourrier, électrochimie, spectroscopie en réflectance diffuse, analyse thermogravimétrique, diffraction de rayons X, spectroscopie de photo-électrons X, microscopie électronique à transmission. Les matériaux à base de POMs et de MOFs sont très performants pour la réduction électro-catalytique des protons, avec des potentiels de début effectif de la réaction, meilleurs que ceux des électrodes de platine. Les hybrides à base de POMs, de polymères liquides ioniques et du TiO₂ sont photo-sensibles sous lumière visible, contrairement à leurs composants. Ils démontrent une bonne activité vis-à-vis de la dégradation de l’Acide Orange 7. De plus, le composite obtenu par photo-déposition de nanoparticules d’argent sur ces matériaux présente de bonnes performances électro-catalytiques comme cathode pour la réduction du O₂ et du NO‾₃. / The present work concerns the synthesis and characterisation of new polyoxometalate (POMs) based molecules and materials for applications in energy and environment matters. As far as the environment is concerned, our efforts involved the electro-catalytic and photo-catalytic transformation of pollutants such as nitrogen oxides and recalcitrant azo dyes like Acid Orange 7. As for the domain of energy, we focused on electro-catalytic systems aimed at producing dihydrogen (a high calorific power fuel) and at reducing dioxygen (an important reagent in fuel cells). These reactions usually require several electrons in order to take place, which led us to choose POM-based catalysts. In fact, POMs are capable of stocking and returning an important number of electrons without changing their structure.In the first part, several POMs in which different transition metals are sandwiched in the equatorial plane of the molecular scaffold are synthesised and characterised by experimental (cyclic voltammetry, coulometry, microbalance) et theoretical (DFT calculations) methods. These compounds have shown a very good electro-catalytic activity towards the reduction of substrates such as nitrogen oxides, dioxygen and hydrogen peroxide.In the second part, some materials exhibiting improved properties are synthesised through the incorporation of POMs in matrices like Metal Organic Framework (MOF)-type molecular networks and ionic liquid polymers. The association with a semi-conductor such as TiO₂ has also been considered. The materials obtained were characterised by several techniques: Fourier transform infrared spectroscopy, electrochemistry, diffuse reflectance spectroscopy, thermogravimetric analysis, X ray diffraction, X ray photoelectron spectroscopy, transmission electron microscopy. The POM and MOFs based materials are very performing for the electro-catalytic reduction of protons, having onset potentials better than those exhibited by platinum electrodes. The hybrids consisting of POMs, ionic liquid polymers and TiO₂ are photo-sensitive under visible light, unlike each component taken individually. They have shown a good activity towards the degradation of Acid Orange 7. In addition, the composite obtained by photo-deposition of silver nanoparticles on these materials exhibits a good electro-catalytic performance as a cathode for the reduction of O₂ and NO‾₃.

Cette thèse porte sur la quantification de l’énergie dissipée ainsi que l’amortissement induit par les micro-glissements dans les interfaces constituant les assemblages mécaniques en présence du défaut géométrique. Le mémoire est composé de quatre chapitres traitant la problématique tant du point de vue analytique qu’expérimental. Un modèle rhéologique de contact basé sur les hypothèses de Greenwood et Williamson est développé afin de prendre en compte les défauts géométriques à l’interface du contact. L’énergie dissipée ainsi que l’amortissement induit par les micro-glissements entre deux surfaces rugueuses soumises à un effort normal constant et un déplacement tangentiel allant du glissement partiel jusqu’au glissement total sont déterminés. Afin de valider et discuter le modèle développé on a considéré un montage expérimental composé d’un tribomètre installé sur la machine MTS 830. Afin de révéler le phénomène de dissipation d’énergie entre deux surfaces nominalement planes soumises à un effort normal statique et une rotation alternée, un second banc d’essai est dimensionné et réalisé. Le montage est constitué de deux poutres assemblées par un boulon et excitées par un pot vibrant. Le modèle rhéologique de contact développé dans le premier partie est étudiée dans le cas où les deux surfaces en contact soumises à une charge normal statique et une rotation alternée dynamique. / This thesis focuses on the quantification of energy dissipation and damping induced by microslipping in interfaces constituent assemblies in the presence of geometric defect. The thesis contains four chapters examining this problem from both analytical and experimental viewpoints. A rheological contact model based on the assumptions of Greenwood and Williamson is developed to take into account the geometrical defects at the interface of contact. The energy dissipated and damping induced by micro-slipping between two rough surfaces subjected to a constant normal force and tangential displacement ranging from partial slip to total slip are determined. To validate and discussed the developed model we considered an experimental setup consisting of a tribometer installed on the MTS 830 machine. To reveal the phenomenon of energy dissipation between two nominally flat surfaces subjected to a static axial force and an alternating rotation, a second test bench is designed andrealized. The experimental setup consists of two beams assembled by bolt and excited by a shaker. The rheological contact model developed in the first part is studied in the case where the two contact surfaces subjected to a normal static and dynamic load alternating rotation.

Au regard des dégâts environnementaux au cours des dernières années, il est important de mettre en œuvre des politiques environnementales efficaces afin de lutter contre le changement climatique, de préserver la biodiversité, et de réduire les pollutions de l'eau et de l'air. Le secteur énergétique est l'un des principaux contributeurs à la détérioration de l'environnement. Ainsi, afin d'atteindre les objectifs environnementaux, l'établissement de politiques énergétiques efficaces est primordial. A cet effet, il semble indispensable de mener une démarche inclusive et transversale en impliquant l'ensemble des acteurs des différents échelons (locaux, régionaux, nationaux, internationaux,...). Dès lors, l'identification de l’échelon optimal est cruciale dans une optique d'élaboration des politiques énergétiques efficaces. La thèse s'attache précisément à éclairer les enjeux liés à la fiscalité énergétique. Ainsi, l'objectif principal de cette thèse est d'analyser la nature des interactions environnementales, qu'elles soient entre régions ou Etats, en termes de fiscalité ou de dépenses environnementales. Les contributions de cette thèse sont à la fois théorique et empirique. D'un point de vue empirique, cette thèse s'est d'abord focalisée sur l’étude de la fiscalité énergétique sous l'angle des interactions spatiales. En particulier, le chapitre 1 teste la présence des interactions spatiales des départements français via la vignette automobile. Ce chapitre fournit une analyse empirique de la réaction de la politique fiscale d'un département français suite à un changement de la politique fiscale de ces voisins. Tout d'abord, en utilisant une approche économétrique spatiale en panel, les résultats montrent l'existence d'une dépendance spatiale positive, suggérant l'existence d'un comportement mimétique des départements français lors de la détermination des taux de la vignette automobile. Ensuite, ce chapitre met également en évidence une relation entre les impôts directs locaux et ceux indirects locaux. En particulier, les résultats des estimations montrent que le taux de la taxe professionnelle (resp. la taxe sur le foncier non bâti) et la vignette fiscale sont des substituts alors que le taux de la taxe d'habitation (resp. la taxe sur le foncier non bâti) sont des compléments à la vignette automobile. Enfin, les résultats montrent que les départements avec des populations plus grandes, plus jeunes et plus âgées fixent des montants plus élevés de la vignette automobile. D'un point de vue théorique, le but du chapitre 2 est d'analyser les interactions fiscales entre plusieurs niveaux de gouvernements (en particulier deux niveaux de décisions), dans lesquels il existe plusieurs juridictions de niveaux inférieurs identiques, telles que les États ou encore les collectivités locales, et une juridiction unique de premier plan, telle que l'Etat fédéral, un pays ou une union communautaire, toutes ces juridictions pouvant taxer deux bases fiscales à savoir, le capital et la ressource énergétique. Nous déterminons grâce à la formalisation théorique les implications en termes de distorsions fiscales de l'architecture fiscale dans le cadre d'une politique énergétique. En particulier, en recourant au jeu de Nash, nos résultats montrent d'une part une substitution entre les taxes fédérales et locales sur l'énergie impliquant que les gouvernements locaux augmentent leurs taux de taxation de l'énergie en réponse à une baisse du taux de la taxe fédérale sur l'énergie, toutes choses égales par ailleurs. D'autre part, nous constatons que les taxes locales sur l’énergie ont une incidence positive sur la qualité de l’environnement, ce qui suggère que la décentralisation de la politique énergétique peut jouer un rôle crucial pour atténuer les dommages environnementaux. Enfin, à travers le chapitre 3, nous testons d'un point de vue empirique l'existence d'une interdépendance spatiale entre les pays de l'OCDE via les dépenses environnementales. / In the light of environmental damage in recent years, it is important to implement effective environmental policies to combat climate change, preserve biodiversity, and reduce water and air pollution. The energy sector is one of the main contributors to the deterioration of the environment. Thus, in order to achieve environmental objectives, establishing effective energy policies is paramount. To this end, it seems essential to carry out an inclusive and transversal approach by involving all actors at different levels (local, regional, national, international, etc.). Therefore, identifying the optimal step is crucial for effective energy policy development. The thesis focuses on clarifying the issues related to energy taxation. Thus, the main objective of this thesis is to analyze the nature of environmental interactions, be they between regions or states, in terms of taxation or environmental expenses. The contributions of this are both theoretical and empirical.From an empirical point of view, this thesis first focuses on the study of energy taxation from the perspective of spatial interactions. In particular, Chapter 1 tests the presence of spatial interactions of French departments via the car sticker. This chapter provides an empirical analysis of the reaction of the tax policy of a French department following a change in the tax policy of these neighbors. First, by using a spatial econometric panel approach, the results show evidence of spatial dependence, suggesting the existence of a mimetic behavior of French departments when determining the rates of the car sticker. Next, this chapter also highlights a relationship between local direct taxes and indirect local taxes. In particular, the results of the estimates show that the rate of the business tax (or the tax on undeveloped land) and the road tax sticker are substitutes, whereas the residential tax rate (or the tax rate on developed land) are complements to the road tax sticker. Finally, the results show that departments with larger, younger and older populations are setting higher amounts of the car sticker.From a theoretical point of view, the purpose of Chapter 2 is to analyze the tax interactions between several levels of government (in particular two levels of decision-making), in which there are several jurisdictions of similar lower levels, such as local authorities, and a single leading jurisdiction, such as the federal state, a country or a community union, all of which can tax two tax bases, namely, capital and energy resources. Through theoretical formalization, we determine the implications in terms of tax distortions of tax architecture in the context of an energy policy. In particular, using the Nash game, our results show, on the one hand, a substitution between federal and local taxes on energy, implying that local governments increase their energy tax rates in response to a fall in the rate of energy. of the federal energy tax, all other things being equal. On the other hand, we find that local taxes on energy have a positive impact on the quality of the environment, suggesting that decentralization of energy policy can play a crucial role in mitigating environmental damage.Finally, in Chapter 3, we empirically test the existence of spatial interdependence among OECD countries through environmental spending. To this end, we use data from 30 OECD countries for the period 1994-2014 and a wide range of economic and political control variables.

Les réseaux électriques doivent absorber une production d'énergie renouvelable croissante, de façon décentralisée. Leur gestion optimale amène à des problèmes spécifiques. Nous étudions dans cette thèse la formulation mathématique de tels problèmes en tant que problèmes d'optimisation stochastique multi-pas de temps. Nous analysons plus spécifiquement la décomposition en temps et en espace de tels problèmes. Dans la première partie de ce manuscrit, Décomposition temporelle pour l'optimisation de la gestion de microgrid domestique, nous appliquons les méthodes d'optimisation stochastique à la gestion de microgrid de petite taille. Nous comparons différents algorithmes d'optimisation sur deux exemples: le premier considère une microgrid domestique équipée avec une batterie et une centrale de micro-cogénération; le deuxième considère quant à lui une autre microgrid domestique, cette fois équipée avec une batterie et des panneaux solaires. Dans la seconde partie, Décomposition temporelle et spatiale de problèmes d'optimisation de grande taille, nous étendons les études précédentes à des microgrids de plus grandes tailles, avec différentes unités et stockages connectés ensemble. La résolution frontale de tels problèmes de grande taille par Programmation Dynamique s'avère impraticable. Nous proposons deux algorithmes originaux pour pallier ce problème en mélangeant une décomposition temporelle avec une décomposition spatiale --- par les prix ou par les ressources. Dans la dernière partie, Contributions à l'algorithme Stochastic Dual Dynamic Programming, nous nous concentrons sur l'algorithme emph{Stochastic DualDynamic Programming} (SDDP) qui est actuellement une méthode de référence pour résoudre des problèmes d'optimisation stochastique multi-pas de temps. Nous étudions un nouveau critère d'arrêt pour cet algorithme basé sur une version duale de SDDP, qui permet d'obtenir une borne supérieure déterministe pour le problème primal / New energy systems are designed to absorb a large share of renewableenergy in a decentralized fashion. Their optimized management raises specificissues. We study mathematical formulation as large scale multistagestochastic optimization problems. We focus on time and space decompositionmethods in a stochastic setting.In the first part of this manuscript, Time decomposition inoptimization and management of home microgrids, we apply stochasticoptimization algorithms to the management of small scale microgrids. We compare different optimization algorithms on two examples:a domestic microgrid equipped with a microCombined Heat and Power generator and a battery;a domestic microgrid equipped with a battery and solar panels.In the second part, Mixing time and spatial decomposition inlarge-scale optimization problems, we extend the previous studies tolarger microgrids, where different units and storage devices are connected together. As a direct resolution by Dynamic Programming of such large scale systemsis untractable, we propose original algorithms mixing time decomposition on the one hand, and price and resource spatial decomposition on the other hand.In the third part, Contributions to Stochastic Dual Dynamic Programming,we focus on the Stochastic Dual Dynamic Programming (SDDP) algorithm,a well-known algorithm to solve multistage stochastic optimizationproblems. We present a new stopping criteria based on a dual versionof SDDP which gives a deterministic upper-bound for the primal problem

Dans le cadre de l’implantation d’une centrale pilote à énergie thermique des mers (ETM) prévue au large des côtes caribéennes de la Martinique d’ici 2020, ces travaux de thèse visent à évaluer les impacts potentiels de la décharge d’eau profonde en surface sur le phytoplancton. La centrale pilote offshore NEMO conçue par DCNS et mise en oeuvre par Akuo Energy prévoit une production d’environ 10 MW. Les eaux froides et riches en nutriments pompées au fond et rejetées en surface par la centrale ETM avec un débit d’environ 100 000 m3.h-1 devraient enrichir les eaux de surface du site d’étude, particulièrement pauvres en nitrate et phosphate. Deux campagnes de mesures sur le terrain à deux saisons contrastées (saison humide en juin 2014 et saison sèche en novembre 2013) ont permis d’apporter une description des différents paramètres physiques et biogéochimiques susceptibles d’induire une modification de la communauté phytoplanctonique. Une variabilité saisonnière marquée de la stratification et des paramètres biogéochimiques a été mise en évidence avec en saison humide une forte influence océanique (advection d’eaux originaires de l’Amazone et de l’Orénoque) et atmosphérique (brumes des sables) enrichissant potentiellement la couche de surface en nutriments et en métaux traces. Des microcosmes in situ ont été développés afin de simuler le rejet d’eau de fond dans la couche de surface sous différents scénarios. De l’eau de surface prélevée dans le maximum de chlorophylle (45 m, où le phytoplancton est le plus abondant) et à la base de la couche euphotique (80 m, où le phytoplancton est présent en très faible abondance) a été enrichie avec un faible (2%) ou fort apport (10%) d’eau de fond (1100 m) et mise à incuber in situ pendant 6 jours. La production primaire a également été estimée dans le milieu naturel et dans les microcosmes. Ces expérimentations ont mis en évidence qu’un fort apport (10%) stimule le développement du micro-phytoplancton, des diatomées en particulier, au détriment des Prochlorococcus, tandis qu’un apport de 2% ne modifie que faiblement la communauté. La réponse des diatomées pourrait être liée à l’apport en nitrate et phosphate par les eaux profondes. La production primaire serait quant-à-elle dépendante de l’assemblage phytoplanctonique en présence, plutôt que de l’intensité de l’apport d’eau profonde. Enfin, les perturbations thermiques liées au rejet d’eau froide de fond ont été évaluées à partir du modèle numérique ROMS. Les seuils d’impact thermique de -3°C préconisés par la World Group Bank et de -0,3°C correspondant à 2% de dilution d’eau profonde ont été considérés. Même au seuil le plus bas (-0,3°C), la surface impactée sur les premiers 150 m de la colonne d’eau était trop faible pour être détectable par la simulation, quelle que soit la profondeur du rejet. L’impact thermique lié au rejet d’eau froide devrait donc être négligeable, et elle serait limitée à moins de 3 km2. Ces travaux constituent la première étape indispensable dans la compréhension de ce que pourrait être l’impact de ce rejet sur l’écosystème à plus long terme. / As part of the implementation of an Ocean thermal energy conversion (OTEC) pilot plant planned off the Caribbean coast of Martinique by 2020, this thesis aims to assess the potential impacts of deep seawater discharge at the surface on the phytoplankton. The offshore pilot plant NEMO, designed by DCNS and implemented by Akuo Energy anticipates production of approximately 10 MW. The cold and nutrient-rich waters that are pumped in the bottom and discharged at the surface by the heat engine with a flow of roughly 100 000 m3 h-1 should enrich surface waters of the study site, which are particularly poor in nitrate and phosphate. Two campaigns of field measurements in two contrasting seasons (the dry season in November 2013 and the wet season in June 2014) have allowed the description of different physical and biogeochemical parameters that may induce changes in the phytoplankton community. Marked seasonal variability in stratification and biogeochemical parameters occurred, with strong oceanic influences (advection of waters from the Amazon and Orinoco) and atmospheric influences (African dust) potentially enriching the surface layer in nutrients and trace metals during the wet season. In situ microcosms were designed to simulate the discharge of bottom waters into the surface layer under different scenarios. Surface water collected at the chlorophyll maximum(45 m, where the phytoplankton is the most abundant), and at the base of the euphotic layer (80 m, where the phytoplankton is present, but in very low abundance) was enriched with either a weak (2%) or strong (10%) input of bottom waters (1100 m), and incubated for 6 days. Primary production was estimated in both the natural environment, and in the microcosms. These experiments have shown that high input (10%) stimulates the development of micro-phytoplankton, especially diatoms, to the detriment of Prochlorococcus. The response of diatoms could be linked to the input of nitrate and phosphate by the deep seawater.Primary production would be dependent on the composition of the phytoplankton assemblage rather than on the intensity of deep water discharge. Finally, thermal disturbances linked to the discharge of cold water at the surface were assessed using a numerical model (ROMS), which considered the thermal impact threshold of -3°C as recommended by the World Bank Group, and -0.3 °C, corresponding to a 2% dilution with deep water. Even at the lowest threshold (-0.3 °C), the area impacted in the first 150 m of the water column was too low to be detected by the simulation, regardless of the discharge depth. The thermal impact of cold water should therefore be negligible and limited to an area of less than 3 km2. This work provides the first critical step in understanding how bottom water discharge may impact the ecosystem in the longer-term.

La remise en question du mode de développement des sociétés humaines a, sur ces 40 dernières années, profondément transformé le contexte énergétique mondial, instaurant alors un nouveau cadre politique permettant l’essor spectaculaire des énergies renouvelables. Par ailleurs, si l’électricité apparaît comme un vecteur fondamental du développement humain, le contexte des populations majoritairement rurales d’Afrique subsaharienne incite à la recherche d’alternatives énergétiques adaptées. En substance, si les ressources renouvelables peuvent répondre de manière pertinente au défi de l’électrification décentralisée des zones rurales de la région, elles doivent également représenter une solution technique et économique crédible, avant d’être politique.La République de Djibouti, petit pays situé dans la corne de l’Afrique, symbolise parfaitement le défi socio-énergétique de l’ensemble de la région, et des populations rurales en particulier. Avec un pays pauvre en ressources traditionnelles mais présentant a priori un gisement solaire intéressant, nous avons alors privilégié l’étude des systèmes photovoltaïques (PV) dans le cadre de l’électrification décentralisée des populations rurales du pays. Comme d’autres ressources, ces systèmes, bien que reposant sur une technologie relativement ancienne, ont réellement pris leur essor au début des années 2000 avec les mesures incitatives du Protocole de Kyoto.Évaluer la pertinence de la technologie photovoltaïque nécessitait, dans un premier temps, d’estimer le niveau et la répartition de la ressource solaire au sein du pays. Pour cela, nous avons construit un atlas de l’irradiation solaire horaire incidente sur le territoire, pour la période 2008-2011, à partir d’un modèle satellitaire de rayonnement. Afin de valider les estimations issues de cet atlas, nous les avons comparées aux mesures in situ relevées par deux stations météorologiques temporaires déployées, entre 2010 et 2013, sur quatre sites présentant des caractéristiques distinctes. Finalement, la carte annuelle extraite de l’atlas a confirmé que le gisement solaire du pays, avec une irradiation moyenne de 5,87kWh/m² par jour, constituait l’un des plus importants au monde.Si les modèles utilisant des données satellitaires permettent de retrouver le flux solaire incident au sol, ils ne tiennent en revanche pas compte des effets du relief local sur ce dernier. Ainsi, afin de tenir compte des effets d’ombrage engendré par le terrain, nous avons développé une procédure dite de désagrégation, couplant l’utilisation d’un maillage numérique d’altitude aux cartes de rayonnement issues du modèle satellite. Pour ce faire, nous avons élaboré un modèle théorique pour retrouver l’horizon autour d’un point donné, et validé celui-ci à l’aide d’une campagne de mesures topographiques en Corse. En corrigeant ensuite le rayonnement à l’aide de cet horizon pour chaque pixel du maillage d’altitude, nous avons pu enrichir le niveau de l’information fournie par la cartographie de l’irradiation globale.Bien que le gisement solaire soit l’indicateur principal du potentiel photovoltaïque, il est également nécessaire de considérer des paramètres secondaires, éléments de technologie et caractéristiques environnementales, qui permettent d’évaluer avec précision l’énergie électrique produite par un système PV quelconque. En combinant l’utilisation de différents modèles, nous avons ainsi pu intégrer à l’estimation finale du productible l’influence du rayonnement et de la température sur le rendement de conversion d’un module photovoltaïque. Nous avons ainsi construit une cartographie du productible PV qui, couplée à une évaluation multicritère de la pertinence de la technologie PV vis-à-vis des alternatives énergétiques classiques en matière d’électrification rurale, est destinée à faciliter la prise de décision pour les différents acteurs, publics ou privés, du domaine de l’énergie. / Over the 40 past years, growth of renewable energies benefited of the new world energy frame, which resulted of the questioning about what development of human societies had to be. Furthermore, although human development comes with electricity, the rural condition of many populations of sub-Saharan Africa incites us to look for suitable power supply alternatives. Eventually, in this specific context, renewable energies can represent a reliable solution to the off-grid electrification of rural peoples. However, this solution has to be economical and technical, and not only political.The Republic of Djibouti is a little developing country located in the Horn of Africa which perfectly symbolizes the social and energy challenges of rural populations in Sub-Saharan Africa. Instability and limitation of the existing electrical grid, fuel cost and lack of fossil resources point to the geographically diffused solar resource as probably the best way to improve human development and reduce poverty of Djiboutian rural peoples. Therefore, we have considered the study of photovoltaic (PV) systems within the rural off-grid electrification frame.Firstly, in order to evaluate relevance of these systems, it was necessary to estimate level and repartition of the solar resource across the country. So we developed a solar atlas, i.e. cartography of the hourly solar irradiation reaching the ground, based on satellite-derived irradiance estimates retrieved between 2008 and 2011. For assessing the atlas quality, we compared irradiation estimates with ground measures retrieved on 4 different sites by 2 temporary weather stations deployed between 2010 and 2013. Finally, yearly map extracted from the atlas showed that, with a daily mean irradiation of 5,87kWh/m².day, the solar potential of Djibouti is one of the most significant in the world.Satellite models are useful for determining solar irradiance at ground level but they don’t take into account local topography effects. In order to incorporate these shading effects to the satellite-derived irradiance maps, and so improve irradiance accuracy and spatial resolution, we used a Digital Elevation Model (DEM). Firstly, this disaggregation process was based on the development of a new fast horizon algorithm which was assessed by means of topographic measures in Corsica Island. Then, by correcting irradiance with this horizon for each pixel of the DEM, we improved geographic information of the solar irradiation atlas.Although solar resource is the first indicator of the photovoltaic potential, other elements, as environmental parameters or endogenous characteristics of photovoltaic modules, also have to be taken into consideration for precisely estimating energy produced by a PV system. Hence, by means of different models, we evaluated influence of irradiance and temperature onto the conversion efficiency of a PV generator to finally retrieve the atlas of the PV potential across the country. In conclusion, by combining this cartography to a multi-criteria approach comparing relevance between PV systems and classical power supply systems within the rural electrification scheme, we developed the first photovoltaic decision making tool of the country intended for all officials who are acting in the energy field.

Les systèmes de stockage d'énergie thermique sont des éléments centraux de divers types de centrales de production d'énergie fonctionnant à l'aide de sources d'énergie renouvelables. Ces systèmes de stockage thermique de type solide/fluide peuvent être considérés comme une solution rentable dans les centrales solaires à concentration. Un tel dispositif est constitué d'un réservoir rempli d'un lit granulaire à travers lequel circule un fluide caloporteur. Cependant, dans de tels dispositifs, le réservoir pourrait être soumis à une accumulation de contraintes thermiques au cours des cycles de chargement et de déchargement en raison de la dilatation thermique différentielle entre le milieu granulaire et la paroi du réservoir. Cette thèse a été consacrée à l'étude du comportement thermomécanique du lit granulaire à l'intérieur d'un réservoir de stockage thermique de type régénérateur solide/fluide. Pour atteindre cet objectif, deux approches ont été suivies : les approches numériques et expérimentales. Un modèle numérique basé sur la méthode des éléments discrets a été développé pour décrire le comportement du réservoir sous cyclage thermique. L'évolution des contraintes appliquées aux parois de la cuve au cours des cycles thermiques, est étudiée en tenant compte à la fois des charges thermiques et mécaniques, ainsi que de la cinématique du milieu granulaire à l'échelle des particules (c'est-à-dire des éléments discrets) et de la déformation thermo-mécanqiue du réservoir. Des simulations ont été effectuées pour différentes configurations thermiques (chauffage/refroidissement homogène du réservoir sur sa hauteur ou gradient vertical de température) et différents cas de condition limite (paroi rigide, paroi du réservoir avec un coefficient de dilatation thermique supérieur au lit de roche ou inversement). Le comportement du réservoir dépend des conditions thermiques et conditions aux limites imposées. De plus, un prototype de thermocline a été conçu et construit au sein du laboratoire au CEA, visant à étudier l'accumulation de contraintes sur les cycles thermiques. Le dispositif expérimental, appelé ESPERA, est équipé de dispositifs de mesure de force installés à différentes hauteurs sur la paroi du réservoir. Les dispositifs de mesure de force ont été développés et calibrés au CEA. Leur sensibilité a également été testée en développant un autre banc expérimental, P'tit- Pousse. Des essais expérimentaux ont été réalisés permettant de prouver l'accumulation des contraintes au cours des cycles. Finalement, une comparaison entre les résultats numériques et les premiers résultats expérimentaux obtenus en fin de thèse est proposée. / Thermal Energy Storage (TES) systems are central elements of various types of power plants operated using renewable energy sources. Packed bed TES can be considered as a cost effective solution in concentrated solar power plants (CSP). Such a device is made of a tank filled with a granular bed through which a heat-transfer fluid circulates. However, in such devices, the tank might be subjected to an accumulation of thermal stresses during cycles of loading and unloading due to the differential thermal expansion between the filler and the tank wall. This research was devoted to investigate the thermo-mechanical behavior of the granular bed inside a packed bed TES tank. To achieve this objective, two approaches were undertaken in this work, i.e. numerical and experimental. A numerical model was defined to describe the tank's behavior under thermal cycling based on the discrete element method (DEM). The evolution of tank wall stresses over thermal cycles, taking into account both thermal and mechanical loads, as well as the kinematics of the granular material at the particles scale (i.e. discrete elements), are studied here. The deformability of the tank itself under thermo-mechanical loads is also included in the numerical model. Simulations were performed for different thermal configurations (i.e. the tank is heated homogeneously along its height or with a moving vertical gradient of temperature) and different boundary condition cases (i.e. rigid wall, tank wall with a higher thermal expansion coeficient than the bed or inversely). The behavior of the tank is dependent on the imposed thermal and boundary conditions. In addition to this, a thermocline prototype was designed and constructed at the CEA laboratory, aiming at studying the stress accumulation over the thermal cycles. The experimental setup, called ESPERA, is equipped with force measurement devices, installed at different height positions on the wall. The force measurement devices were developed and calibrated at the CEA. Their sensitivity was also tested using a different developed setup, P'tit-Pousse. Experimental tests were carried out proving the stress accumulation over the cycles. Eventually, a comparison between the numerical results and the lately-obtained preliminary experimental measurements is proposed.

La stabilité structurale et l'intégrité mécanique sont des éléments clés pour le bon fonctionnement et la préservation des systèmes vivants complexes. Étant en interaction constante avec leur environnement et en ce qui concerne les intrants externes, de tels systèmes doivent pouvoir faire face aux changements afin de prospérer. Ces entrées peuvent affecter le système dans son ensemble. Toute perturbation qui ne peut pas être supportée mécaniquement par le système vivant entraînera un dysfonctionnement crucial ou, en fin de compte, sa mort. Le mécanisme responsable du maintien des conditions physiologiques du système à l'état correct, malgré les variations environnementales, est identifié comme étant l'homéostasie. Plus précisément, le processus connu en mécanobiologie pour préserver l'équilibre mécanique approprié d'un système vivant est appelé homéostasie tensionnelle.Il est important de noter que tout ce qui précède est vrai à la fois à l'échelle du comportement collectif des organismes complexes et jusqu'au niveau de la cellule unique. En fait, c'est en fait cette dernière petite échelle qui nous intéresse. Les cellules font face à des perturbations mécaniques constantes de leur environnement et sont capables de répondre au maintien d'un état mécanique interne relativement stable. L'existence de cet équilibre tensionnel interne est liée à un processus très dynamique avec des boucles de rétroaction constantes entre les machines contractiles biochimiques internes et les forces actives externes générées.Notre intérêt est de comprendre ce mécanisme dynamique en perturbant dynamiquement le système homéostatique tensionnel en étudiant son retour à l'équilibre. / The structural stability and mechanical integrity are key elements for the proper functioning and preservation of complex living systems. Being in constant interaction with their surroundings and subjected to external inputs, such systems need to be able to face changes in order to thrive. These inputs can affect the system both in a localized way or disturb it as a whole. Any perturbations that cannot be mechanically withstand by the living system will result in a crucial malfunctioning or, ultimately, in its death. The mechanism responsible for maintaining the system’s physiological conditions at the proper state, despite environmental variations, is identified as homeostasis. More specifically, the process known in mechanobiology to preserve the appropriate mechanical equilibrium of a living system is called tensional homeostasis.It is important to note that all of the above stated holds true both at the scale of collective behaviour of complex organisms, and all the way down to the single cell level. In fact, it is actually this last small scale which draws our interest. Cells face constant mechanical perturbations from their surrounding and are able to respond accordingly maintaining a relatively stable internal mechanical state. The existence of this internal tensional equilibrium relies on a very dynamic process with constant feedback loops between the internal biochemical contractile machinery and the external active generated forces.Our interest is to understand better this active mechanism by dynamically perturbing the tensional homeostatic system while studying its return to equilibrium.

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.