Les fluides employés lors du forage pétrolier pour la lubrification de l'outil de forage, l'évacuation des déblais et le maintien de la pression hydrostatique dans le puits sont composés de solides en suspension dans une huile minérale, qui contiennent également une solution aqueuse en émulsion. La formation d'hydrates de gaz dans ces fluides, rendue possible par les conditions de pression et de température du forage offshore, est suspectée d'être à l'origine de plusieurs accidents sérieux. L'objet de cette thèse est l'étude des conditions de formation et de stabilité des hydrates de gaz dans les fluides à base d'émulsion eau - dans - huile. La technique d'analyse calorimétrique différentielle a été retenue en raison de sa compatibilité avec les systèmes les plus complexes. La validité des mesures de températures de dissociation des hydrates de méthane dans les solutions de chlorure de sodium et de chlorure de calcium a été vérifiée pour des pressions comprises entre 4 et 12 MPa. L'application aux émulsions eau - dans - huile, représentant un modèle simplifié des fluides de forage, a permis de vérifier que l'état dispersé de la phase aqueuse n'influence pas de façon mesurable la thermodynamique des hydrates de méthane. Il accroît en revanche fortement la cinétique de formation et les quantités d'hydrate formé. L'application aux fluides réels confirme les résultats obtenus en émulsion. Les informations obtenues permettent de proposer un modèle phénoménologique du processus de formation des hydrates de gaz en émulsion. La modélisation a permis le calcul des limites de stabilité des hydrates de méthane en présence de divers inhibiteurs, à des pressions allant jusqu'à 70 MPa. Les diagrammes de phases isobares hydrate - sel, permettant de prédire l'efficacité de l'inhibition en fonction de la température et de la concentration, ont été établis pour le chlorure de sodium et le chlorure de calcium, pour des pressions allant de 0,25 à 70 MPa.

Les réseaux de transport de gaz naturel nécessitent des investissements très importants pour faire face à une demande toujours croissante en énergie et pour satisfaire des contraintes réglementaires de plus en plus importantes. En effet, la libéralisation des marchés gaziers a imposé aux opérateurs de transport de gaz, d'une part, des règles de transparence d'un monopole naturel pour justifier leurs dépenses et, in fine, leurs tarifs, et, d'autre part, des objectifs de fluidification du marché afin de faciliter l'accès à la concurrence des clients finaux. Ces investissements majeurs justifient l'utilisation de techniques d'optimisation permettant de réduire leurs coûts. Au vue de la présence de choix discrets en combinaison avec des contraintes physiques non linéaires, les programmes à résoudre sont des programmes d'optimisation non linéaires en nombres entiers (PNLNE) de grandes tailles. Ce type de programmes étant connu pour être particulièrement difficile à résoudre en temps polynomial (NP-difficile), des méthodes avancées d'optimisation doivent être mises en œuvre pour obtenir des réponses réalistes. Les objectifs de cette thèse sont au nombre de trois. Il s'agit d'abord de proposer une modélisation des problèmes d'investissement dans les réseaux de transport de gaz à partir des motivations du monde industriel. Il s'agit ensuite d'identifier les méthodes et algorithmes les plus adéquats pour résoudre les problèmes ainsi formulés. Il s'agit enfin d'évaluer les avantages et les inconvénients de ces méthodes à l'aide d'applications numériques sur des cas réels.

En 1968, les premières exportations de gaz naturel soviétique pénètrent le marché européen. Quarante ans plus tard, le marché gazier russo-européen représente le plus grand bassin d'échanges gaziers au monde. Toutefois, malgré les immenses réserves russes et les capacités financières des États européens, une crainte demeure: celle de voir la Russie accentuer sa présence, déjà complète en amont, en aval du marché gazier. Ainsi, Gazprom serait utilisée par le Kremlin pour acquérir le contrôle d'entreprises européennes de distribution de gaz naturel, afin de développer une menace plus efficace encore que la menace nucléaire parce qu'applicable à des durées et degrés divers: la menace énergétique. Ce mémoire se limite aux questions gazières parce que l'étendue aux autres énergies eût représenté un travail colossal inadéquat pour un mémoire de maîtrise. Mais le marché gazier russo-européen implique suffisamment de questionnements sociaux, politiques et économiques pour construire une recherche complète et précise. Le but de ce mémoire sera de déterminer s'il existe des schèmes de relations gazières avec la Russie, et, le cas échéant, comment ces schèmes se développent et influencent les relations qu'entretient Gazprom avec chacun des États partenaires. Parallèlement, et en utilisant ces schèmes, cette recherche tentera aussi de déconstruire le mythe du « danger russe » hérité de la Guerre Froide et qui politise les relations gazières. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Russie, Europe, Politique énergétique, Gaz Naturel, Sécurité de l'approvisionnement.

La pile à combustible à membrane polymère (PEMFC) est une technologie prometteuse pour la micro-cogénération et pourrait voir son marché se développer au moment de la libéralisation du marché européen de l'énergie, portée par des incitations fiscales grâce à sa relative vertu environnementale. Cette thèse vise à étudier le comportement et la conception d'une PEMFC alimentée par un mélange riche en hydrogène obtenu par reformage de gaz naturel, en situation réelle dans un bâtiment, exploitée en cogénération d'électricité et de chaleur. L'étude et l'optimisation de ce système sont menées en s'appuyant sur le fonctionnement d'un prototype réel, le RCU-4500 (4 kW électriques, 6 kW thermiques), expérimenté dans le cadre d'un projet de recherche national. En premier lieu, l'analyse approfondie du fonctionnement du prototype installé permet de comprendre qualitativement et quantitativement un exemple de ce type de système, en le situant dans son contexte technologique. Des mesures de consommation, de puissance électrique produite et de puissance thermique valorisée sont effectuées et une analyse du contrôle-commande est dressée. Une modélisation en régime permanent est développée et validée grâce aux nombreuses données expérimentales fournies par le projet. En second lieu, l'utilisation prédictive du modèle permet de proposer trois variantes de systèmes virtuels avec une nouvelle architecture et stratégie de gestion. Cela est fait en optimisant le rendement électrique puis la valorisation de la chaleur et la récupération de l'eau pour avoir un dispositif globalement autosuffisant en eau. Ces variantes s'appuient aussi sur des améliorations réelles de fonctionnement, réalisées avec succès lors d'essais sur l'une des cinq unités du projet. L'appréhension du procédé dans son ensemble, en tenant compte des interactions entre les différents sous-systèmes, est une nouveauté par rapport aux autres travaux publiés sur ce type de système.

L’efficacité énergétique limite la croissance de la consommation d’énergie tout en réduisant les externalités négatives liées à la consommation d’énergie à l’échelle planétaire. C’est une solution aux défis environnementaux et énergétiques auxquels nous faisons face aujourd’hui. Actuellement, il n’existe pas de consensus quant à la manière d’estimer les gains en efficacité énergétique : la méthode utilisée dépend du but de la recherche et des données disponibles. Dans ce mémoire, nous estimons les tendances d’épargne de consommation de gaz naturel réalisées par l’efficacité énergétique des ménages québécois clients d’Énergir. Pour ce faire, nous utilisons des modèles économétriques linéaires sur des données de panel de consommation de gaz naturel des clients d’Énergir. Le coefficient de la tendance temporelle est considéré comme l’estimateur de l’efficacité énergétique. Une variable de tendance temporelle est parfois intégrée dans les modèles énergétique dans la littérature comme proxy pour les progrès techniques. Nos résultats indiquent que l’amélioration de l’efficacité énergétique permet des économies annuelles en consommation de gaz naturel de 0,72 % pour le chauffage et 2,97 % pour les autres emplois. Les régions géographiques, les volumes de gaz naturel consommés et les cohortes de construction ont une incidence sur ces tendances en efficacité énergétique. La superficie des habitations a peu d’impact sur l’efficacité énergétique. Nous avons également détecté un ralentissement de la tendance en efficacité énergétique pour la consommation de chauffage. Depuis 2013, 0,53 % d’économies de gaz naturel sont réalisées annuellement par cette utilisation finale. En conclusion, nous recommandons l’utilisation de la méthode et des résultats pour l’utilisation finale du chauffage. Pour les autres utilisations finales, nous ne recommandons pas l’utilisation de la méthode et des résultats. La fiabilité de ces estimateurs est trop faible.

L'efficacité énergétique limite la croissance de la consommation d'énergie tout en réduisant les externalités négatives liées à la consommation d'énergie à l'échelle planétaire. C'est une solution aux défis environnementaux et énergétiques auxquels nous faisons face aujourd'hui. Actuellement, il n'existe pas de consensus quant à la manière d'estimer les gains en efficacité énergétique : la méthode utilisée dépend du but de la recherche et des données disponibles. Dans ce mémoire, nous estimons les tendances d'épargne de consommation de gaz naturel réalisées par l'efficacité énergétique des ménages québécois clients d'Énergir. Pour ce faire, nous utilisons des modèles économétriques linéaires sur des données de panel de consommation de gaz naturel des clients d'Énergir. Le coefficient de la tendance temporelle est considéré comme l'estimateur de l'efficacité énergétique. Une variable de tendance temporelle est parfois intégrée dans les modèles énergétique dans la littérature comme proxy pour les progrès techniques. Nos résultats indiquent que l'amélioration de l'efficacité énergétique permet des économies annuelles en consommation de gaz naturel de 0,72 % pour le chauffage et 2,97 % pour les autres emplois. Les régions géographiques, les volumes de gaz naturel consommés et les cohortes de construction ont une incidence sur ces tendances en efficacité énergétique. La superficie des habitations a peu d'impact sur l'efficacité énergétique. Nous avons également détecté un ralentissement de la tendance en efficacité énergétique pour la consommation de chauffage. Depuis 2013, 0,53 % d'économies de gaz naturel sont réalisées annuellement par cette utilisation finale. En conclusion, nous recommandons l'utilisation de la méthode et des résultats pour l'utilisation finale du chauffage. Pour les autres utilisations finales, nous ne recommandons pas l'utilisation de la méthode et des résultats. La fiabilité de ces estimateurs est trop faible.

Dans un contexte environnemental fort, la législation Européenne actuelle impose aux centrales thermiques à gaz des limites d'émission à 25 ppmvd pour le monoxyde de carbone (CO) et les oxydes d'azote (NOx). L'exploitant est alors contraint de régler finement ses machines pour éviter l'imposition de pénalités financières. Afin d'orienter les opérateurs vers les réglages optimaux, un outil numérique est développé. Il a pour but de prédire les émissions polluantes avec précision (quelques ppmvd), rapidité (utilisation sur site) et pour toutes sortes de configurations (géométrie, conditions de fonctionnement). Toutefois, modéliser et simuler la formation d'espèces minoritaires dans un écoulement turbulent réactif reste, aujourd'hui encore, un challenge scientifique et numérique en raison des larges spectres spatiaux et temporels mis en jeu. La solution proposée dans cette thèse consiste à réaliser un calcul CFD (Computational Fluid Dynamics) basé sur un mécanisme réactionnel simple en vue de construire un réseau de réacteurs 0D incluant une cinétique chimique détaillée. Une méthodologie générale est présentée pour le découpage de l'écoulement en zones statistiquement homogènes qui, une fois connectées, forment un réseau de réacteurs. Deux modèles de réseaux de réacteurs sont définis et prennent ou non en compte les fluctuations turbulentes (densité de probabilité) et une distribution des temps de séjour dans chaque réacteur. Des études de sensibilité des émissions de NOx à l'hygrométrie, à la variabilité combustible et aux changements de charge sont menées. La comparaison aux mesures sur site souligne la représentativité des modèles proposés. Enfin, une nouvelle modélisation du terme source chimique moyen est introduite (méthode de tabulation du terme source chimique et nouvelle densité de probabilité) pour permettre une prédiction affinée des émissions de NOx dès le calcul CFD.

L'optimisation de l'exploitation d'un réseau de transport de gaz naturel (RTGN) est typiquement un problème d'optimisation multiobjectif, faisant intervenir notamment la minimisation de la consommation énergétique dans les stations de compression, la maximisation du rendement, etc. Cependant, très peu de travaux concernant l'optimisation multiobjectif des réseaux de gazoducs sont présentés dans la littérature. Ainsi, ce travail vise à fournir un cadre général de formulation et de résolution de problèmes d'optimisation multiobjectif liés aux RTGN. Dans la première partie de l'étude, le modèle du RTGN est présenté. Ensuite, diverses techniques d'optimisation multiobjectif appartenant aux deux grandes classes de méthodes par scalarisation, d'une part, et de procédures évolutionnaires, d'autre part, communément utilisées dans de nombreux domaines de l'ingénierie, sont détaillées. Sur la base d'une étude comparative menée sur deux exemples mathématiques et cinq problèmes de génie des procédés (incluant en particulier un RTGN), un algorithme génétique basé sur une variante de NSGA-II, qui surpasse les méthodes de scalarisation, de somme pondérée et d'ε-Contrainte, a été retenu pour résoudre un problème d'optimisation tricritère d'un RTGN. Tout d'abord un problème monocritère relatif à la minimisation de la consommation de fuel dans les stations de compression est résolu. Ensuite un problème bicritère, où la consommation de fuel doit être minimisée et la livraison de gaz aux points terminaux du réseau maximisée, est présenté ; l'ensemble des solutions non dominées est répresenté sur un front de Pareto. Enfin l'impact d'injection d'hydrogène dans le RTGN est analysé en introduisant un troisième critère : le pourcentage d'hydrogène injecté dans le réseau que l'on doit maximiser. Dans les deux cas multiobjectifs, des méthodes génériques d'aide à la décision multicritère sont mises en oeuvre pour déterminer les meilleures solutions parmi toutes celles déployées sur les fronts de Pareto. / The optimization of a natural gas transportation network (NGTN) is typically a multiobjective optimization problem, involving for instance energy consumption minimization at the compressor stations and gas delivery maximization. However, very few works concerning multiobjective optimization of gas pipelines networks are reported in the literature. Thereby, this work aims at providing a general framework of formulation and resolution of multiobjective optimization problems related to NGTN. In the first part of the study, the NGTN model is described. Then, various multiobjective optimization techniques belonging to two main classes, scalarization and evolutionary, commonly used for engineering purposes, are presented. From a comparative study performed on two mathematical examples and on five process engineering problems (including a NGTN), a variant of the multiobjective genetic algorithm NSGA-II outmatches the classical scalararization methods, Weighted-sum and ε-Constraint. So NSGA-II has been selected for performing the triobjective optimization of a NGTN. First, the monobjective problem related to the minimization of the fuel consumption in the compression stations is solved. Then a biojective problem, where the fuel consumption has to be minimized, and the gas mass flow delivery at end-points of the network maximized, is presented. The non dominated solutions are displayed in the form of a Pareto front. Finally, the study of the impact of hydrogen injection in the NGTN is carried out by introducing a third criterion, i.e., the percentage of injected hydrogen to be maximized. In the two multiobjective cases, generic Multiple Choice Decision Making tools are implemented to identify the best solution among the ones displayed of the Pareto fronts.

Cette thèse en économie de l'énergie et de l'environnement étend le modèle de Hotelling du type exploration-extraction avec contraintes géologiques d’Okullo, Reynes et Hofkes (2015), afin de prendre en compte des trajectoires en forme de cloche pour l’ajout de réserves empiriquement observées par Laherrère (2003). Le modèle LOGIMA proposé (Images à Long terme sur le Pétrole et le Gaz) explique qu’elles sont la conséquence de « sweet spots » géologiques : des zones privilégiées où la concentration d’hydrocarbures est la plus élevée. Le modèle LOGIMA a été calibré sur une base de données issues couvrant les sept principaux bassins de pétrole et de gaz non-conventionnels du pays. Les résultats indiquent que la nécessité d’apprentissage par la pratique pour découvrir l’emplacement des sweet spots conduit à une mise en œuvre d’un effort d’exploration également en forme de cloche, ce qui permet de réduire le risque des activités d’exploration. Par conséquent, la réponse en termes des volumes offerts par les producteurs à des chocs sur les prix dévient fonction de l’ensemble des ressources mondiales antérieurement découvertes. Ensuite, nous appliquons le modèle LOGIMA pour étudier l’impact causé par l’offre de pétrole et de gaz naturel « non-conventionnels » aux États-Unis, sur les efforts mondiaux d’atténuation du changement climatique. Nous y parvenons en associant les scénarios à long-terme générés par LOGIMA avec le modèle d’évaluation intégrée, IMACLIM-R. Cette étude analyse comment des différentes cibles de prix de pétrole affecteraient son offre aux États-Unis. Nous estimons cette interaction au moyen de trois cadres de politiques en matière de climat : le cadre « business as usual » (BAU), les contributions décidées à l’échelle nationale (NDC) et les scénarios de 2°C (2DS). Les résultats de l’exercice indiquent que les approvisionnements non-conventionnels sont fortement susceptibles d’affecter les marchés énergétiques mondiaux, mais leur impact sur les émissions mondiales de gaz à effet de serre serait limité, car les différents effets déclenchés dans des différents secteurs viendraient les équilibrer approximativement. / This thesis in energy and environmental economics extends the geological Hotelling-type extraction-exploration model from Okullo, Reynes and Hofkes (2015) in order to account for the bell-shaped reserve additions that were empirically observed by Laherrère (2003). The proposed model explains them as the result of geological “sweet spots”: premium areas within geological formations where the concentration of hydrocarbons is highest. The proposed theoretical formulation was programmed into the mathematical model LOGIMA – “Long-term Oil and Gas Images” – and calibrated on data covering the seven main unconventional oil and gas plays in the United States. Results indicate the need to learn the location of sweet spots through trial and error drillings leads to schedules of exploratory effort that allow the optimal “de-risking” of exploratory activities. As a result, the optimal response of producers to price shocks becomes contingent on the prevailing level of cumulative discoveries.We apply LOGIMA to investigate the impact, caused by the recent advent of large-scale supplies of unconventional oil and gas, in the United States, on the ongoing efforts to mitigate climate change. We do so by soft coupling long-term scenarios from LOGIMA with the integrated assessment model, IMACLIM-R, a recursive, computable general equilibrium model of integrated global energy, economy and environment systems. We analyze how different price targets, potentially pursued by the Organization of Petroleum Exporting Countries (OPEC), would affect supplies of unconventional oil and gas from the United States. We control this interplay under three climate policy frameworks: business as usual (BAU), nationally determined contributions (NDCs) and 2°C scenario (2DS). The results of the exercise show that, despite having a significant potential to affect global energy markets, unconventional oil and gas supplies would have a limited potential to affect global cumulative greenhouse gas emissions to 2040, as the different effects triggered in different sectors approximately balanced each other out.

Cette recherche s’intéresse aux transformations des pratiques de chauffage à Istanbul impulsées par l’arrivée d’une nouvelle ressource énergétique. À travers l’analyse d’une trajectoire heurtée et contestée de diffusion du gaz naturel en substitut de combustibles traditionnels (charbon/bois/fuel), ma thèse dévoile les spécificités et les contradictions d’un processus « ordinaire » de transition énergétique au regard des dynamiques inégales d’appropriation sociale des innovations technologiques, qui viennent conforter et parfois subvertir la nature même des projet techniques et politiques. Inspiré par des travaux sur la sociologie de l’énergie et d’écologie politique urbaine, je propose de suivre dans le temps et dans l’espace les modalités d’agencement d’un nouveau système sociotechnique (service de distribution en réseaux, équipements de chauffage prétendant à l’efficacité énergétique pour la dernière génération d’entre eux, panneaux solaires, etc.), de comprendre les logiques conflictuelles de territorialisation de ces dispositifs en lien avec d’autres dynamiques de transformations urbaines, et enfin de repérer les conditions matérielles, culturelles et socio-économiques, plus ou moins favorables, pour que ces infrastructures réussissent à s’encastrer dans le quotidien des habitants. Ce faisant, ma thèse répond à un double questionnement : comment expliquer la rapidité et la massivité du déploiement du gaz naturel étant donnée la nature des obstacles à surmonter dans le contexte d’une métropole émergente (étalement urbain, concentration de pauvreté, inadaptation d’un cadre bâti hérité à l’usage du chauffage centralisé) ? Comment interpréter les multiples formes de vulnérabilité produites par un processus de transition énergétique censé, paradoxalement, incarner la modernisation et accompagner l’internationalisation d’Istanbul ? / My research focuses on the transformations of heating practices in Istanbul driven by the arrival of a new energy resource. Through the analysis of a contested and non linear trajectory of natural gas diffusion, my dissertation reveals the specificities and the contradictions of an « ordinary » process of energy transition (natural gas being a substitute for traditional fuels such as coal/wood) in light of the unequal dynamics of social appropriation of technological innovations, which reinforce and sometimes subvert the very nature of technical and political projects. Inspired by works on the sociology of energy and urban political ecology, I propose to analyze the construction of a new socio-technical system (network distribution service, boiler devices which pretend to be efficient for the most recent ones, meters, solar panels, etc.), to understand the conflicting logics of territorialization of these artefacts in relation with other dynamics of urban transformations, and finally to identify the material, cultural and socio-economic conditions, though which these new energy amenities success or failed to connect differents categories of people and neighbourhoods. In doing so, my thesis answers a double questioning : given the nature of various obstacles to overcome in the context of Istanbul (urban sprawl, high rates of poverty, heritage of a built environment which is inapropriate with the installation of central heating system), how can we explain the quickness and the large scale development of natural gas demand in Istanbul ? How can we interpret the multiple forms of vulnerability produced by an energy transition process, which is paradoxically, supposed to embody the modernization of Istanbul and to foster its internationalization ?