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 ?

Le processus d’évaporation du Gaz Naturel Liquéfié (GNL) dans les cuves de méthanier est essentiellement lié aux infiltrations thermiques à travers les parois de l’isolation et également aux ballottements du liquide dans la cuve (sloshing). La plupart des modèles développés jusque-là donnent des prédictions en supposant un taux d’évaporation constant ou concept du BOR Design. Étant donné que le taux d’évaporation réel dépend de beaucoup plus de paramètres physiques car le GNL est un mélange multi-espèces constitué essentiellement de méthane, stocké à sa température d’ébullition d’environ -161 °C à pression atmosphérique. Un modèle 0D dynamique permettant de prédire les transferts thermiques et l’évolution des propriétés thermodynamiques a été développé. Le modèle est utilisé pour étudier la variation de la quantité, de la composition et des propriétés thermodynamiques du GNL et du BOG (Boil-Off Gas) au cours du temps en navigation réelle. Ce concept est appelé BOR opérationnel. Le BOR Design est utilisé dans l’industrie pour mesurer la performance énergétique d’un navire transportant du GNL. Elle est indicative et exprime la capacité de l’isolation à laisser entrer la chaleur dans la cuve. Contrairement au BOR Design, le Boil-Off Rate (BOR) opérationnel est un concept nouveau qui permet de prédire le comportement réel d’un navire transportant du GNL par la modélisation des phénomènes physiques complexes prenant en compte les aspects thermiques, thermodynamiques, changements de phase et sloshing connaissant son profil opérationnel. Les corrélations menées dans le modèle développé ont permis d’avoir des résultats avec des erreurs relatives comprises entre 2 % et 5 % entre l’observation et la simulation sur l’évaporation naturelle / The evaporation process of Liquefied Natural Gas (LNG) in LNG vessel tanks is closely related to heat infiltration through the walls of the insulation and also to the sloshing of the liquid in the tank. Most of the models developed give predictions assuming a constant evaporation rate or BOR Design. Real evaporation depends on many more physical parameters because LNG is a multi-component mixture consisted essentially of methane, stored at its boiling point of about -161 °C at atmospheric pressure. A detailed zero-dimensional (0D) dynamic tool that enables one to evaluate the thermal transfers and thermodynamic properties in LNG carrier tanks has been developed. The model is used to investigate the variation of the LNG and BOG quantity, composition and thermodynamic properties during typical voyage profiles of a case study LNG carrier or Operational BOR concept. The principle of the operational Boil-Off Rate (Operational BOR in this paper) is different from the design BOR. The design BOR is a benchmark of the thermal performance of the insulation under standard environmental conditions in a stationary configuration, translated into daily evaporation rate for pure methane. Conversely, the Operational BOR which is an unsteady calculation of the thermal and thermodynamic state of LNG, is designed to measure the amount of boil-off gas produced during the navigation taking into account the actual environmental conditions. A correlations studies carried out in the model gave results with relative errors between 2% and 5% of natural BOG between observation and simulation

La séparation du CO2 d'un mélange de gaz par cristallisation d'hydrates de gaz est un procédé qui pourrait à terme présenter une alternative intéressante aux techniques conventionnelles de capture du CO2. L'objectif de cette thèse était d'évaluer le potentiel de ce procédé "hydrates" pour séparer le CO2 d'un mélange CO2-CH4 riche en CO2. Nous avons étudié en particulier la sélectivité de la séparation vis-à-vis du CO2 et la cinétique de cristallisation des hydrates, ainsi que l'effet d'additifs thermodynamiques et cinétiques (et de certaines de leurs combinaisons) sur ces deux paramètres pour différentes conditions opératoires (pression, température, concentrations). Les expériences de formation/décomposition d’hydrates ont été réalisées en mode "batch" dans un réacteur haute pression faisant partie d'un pilote expérimental conçu et construit entièrement pendant cette thèse. Un modèle semi-empirique a été également développé pour estimer le taux de conversion de l’eau en hydrate et la composition des différentes phases en présence (hydrates, liquide et vapeur) à l'équilibre. Les résultats obtenus montrent que l'association du sodium dodécyl sulfate (SDS), utilisé en tant que promoteur cinétique, avec du tétrahydrofurane (THF), utilisé en tant que promoteur thermodynamique, permet d'obtenir des résultats intéressants en terme de quantité d'hydrates formés et de cinétique de formation. La sélectivité de la séparation vis-à-vis du CO2 reste cependant trop faible (en moyenne quatre molécules de CO2 piégées dans la structure de l'hydrate pour une de CH4) pour envisager d’utiliser ce procédé "hydrates" à plus grande échelle afin de séparer le CO2 de ce type de mélange de gaz. / The separation of CO2 from a gas mixture by crystallization of gas hydrates is a process that could eventually provide an attractive alternative to the conventional techniques used for CO2 capture. The aim of this thesis was to evaluate the potential of this "hydrate" process to separate CO2 from a CO2-CH4 gas mixture, rich in CO2. We have studied in particular the selectivity of the separation toward CO2 and the hydrate crystallization kinetics. The effects of thermodynamic and kinetic additives (and some additive combinations) on these two parameters for different operating conditions (pressure, temperature, concentrations) were evaluated. Hydrate formation and dissociation experiments were performed in "batch mode” in a high pressure reactor, and with an experimental pilot rig designed and built entirely during this thesis. A semi-empirical model was also developed to estimate the water to hydrate conversion and the composition of the different phases (hydrates, liquid and vapor) at equilibrium. The results show that the combination of sodium dodecyl sulfate (SDS) used as a kinetic promoter, with tetrahydrofuran (THF) used as a thermodynamic promoter, provides interesting results in terms of both the amount of hydrates formed and the hydrate formation kinetics. The selectivity of the separation toward CO2 remains too low (an average of four CO2 molecules trapped in the hydrate structure for one of CH4) to consider using this "hydrate" process on a larger scale to separate CO2 from such a gas mixture.

La mobilisation contre les gaz de schiste vécue actuellement au Québec s'inscrira certainement comme un moment fort dans la longue histoire des mouvements sociaux concernant l'exploitation des ressources naturelles. Ce mouvement de contestation face à cette industrie qui s'installait graduellement dans le paysage de différentes régions sans préavis, est né de la frustration de citoyen(ne)s qui se sont regroupés, appuyés par des groupes environnementaux déjà établis. Il a bénéficié du contexte particulier du Québec, et ce aux niveaux géographique, légal, politique et social, par rapport aux autres provinces ou pays où l'industrie a tenté ou est parvenu à s'installer. Il nous apparaît particulièrement intéressant puisqu'il nous permet d'observer comment des citoyen(ne)s n'ayant pas nécessairement d'antécédents militants se sont mobilisé(e)s à travers la province pour réclamer des études plus approfondies et des consultations publiques. Il nous permet ainsi, à travers la sociologie des mouvements sociaux et, plus particulièrement les théories entourant les nouveaux mouvements sociaux, de mettre à l'épreuve le concept d'écocitoyenneté, un concept de plus en plus utilisé, mais qu'on s'est peu attardé à définir. Ce dernier nous permettra d'étudier comment l'attachement à un territoire couplé d'un souci de préservation de l'environnement peut servir de tremplin au développement d'une citoyenneté intelligente et active. Plus largement, nous verrons comment ce mouvement, s'écartant de courants plus radicaux tels que l'écologie politique, est révélateur d'une nouvelle dynamique contestataire basée sur le développement d'une intelligence citoyenne et de compétences à l'action collective et sur l'instrumentalisation des mécanismes institutionnels. Nous nous attarderons également au répertoire d'actions collectives qui nous permet d'appréhender plus pragmatiquement l'efficience de cette mobilisation. Pour ce faire, nous avons rencontré trois militants dans le cadre d'entretiens semi-dirigés et avons analysé leur discours en utilisant la méthode de la théorisation ancrée. L'étude de ce cas, présenté comme un exemple de réussite, nous permettra d'entrevoir l'avenir des mouvements sociaux visant la protection de l'environnement au Québec. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : nouveaux mouvements sociaux, écologie, environnement, gaz de schiste, écocitoyenneté, intelligence collective

La dégradation de l’environnement ainsi que l’épuisement progressif des énergies fossiles devient très inquiétant et incite les états à définir des limites d’émission polluantes plus strictes. Ceci a conduit les constructeurs automobiles à poursuivre leurs recherches dans le développement de conception propre et efficace des moteurs en utilisant des combustibles alternatifs dans les moteurs à combustion interne.Dans le présent travail, on s’intéresse à l’étude des moteurs fonctionnant en mode DF afin d’améliorer ses performances tout en minimisant les émissions polluantes, en particulier les HC et les CO. Pour ce faire des études expérimentales ont été menées. Une réduction de 77% des émissions de HC a été observée en passant d’une richesse de 0,35 à 0,7. Par ailleurs, Il a été noté aussi qu’une diminution de 20% à 50% des émissions de CO avec une amélioration de 30% du rendement peut être visualisée en variant l’avance à l’injection de 4,5 °V à 6 °V. Concernant la mise en place de la pré-injection, une baisse de 30% des émissions de NOx a été observée avec un gain de 12% à 30% de rendement par rapport à une seule injection. En dernier terme, un modèle thermodynamique à une zone a été développé afin de prédire la température et la pression dans le cylindre. Une bonne concordance a été notée entre les deux résultats avec une erreur moyenne relative inférieure à 5%. / Currently, the environmental degradation due to pollutant emissions and the gradual depletion of fossil fuels, becoming very worrying, are prompting European directives to set pollutant emission limits. These have led manufacturers to continue research in the development of clean and efficient engine designs using alternative fuels in internal combustion engines.In this work, we focus on the study of engines operating in dual-fuel mode to improve its performance while minimizing pollutant emissions, particularly HC and CO. For this, experimental studies were conducted. A reduction of about 77% in the HC emissions was observed as the equivalence ratio was varied from 0.35 to 0.7. Regarding the effect of injection timing, it was noted that the CO emissions decreased about 20% to 50% with an improvement in the brake thermal efficiency by 30% upon varying the injection advance from 4,5 °CA to 6 °CA. On the other hand, the introduction of pre-injection strategy led to a decrease by 30% in NOx emissions with an amelioration of brake thermal efficiency of 12% to 30% compared to a single injection. Lastly, a single zone thermodynamic model was developed to predict the in-cylinder temperature and pressure. A good agreement was noted between the predicted and experimental results. The average relative error was less than 5%.

Les clathrates organiques, particulièrement ceux formés entre l’hydroquinone (HQ) et les gaz, sont des entités supramoléculaires montrant un potentiel intéressant comme matériau alternatif pour les applications de stockage et de séparation de gaz. Cette étude traite de l’évaluation du clathrate d’HQ pour la séparation du CO2 contenu dans les mélanges CO2/CH4 par réaction gaz-solide. D’un point de vue fondamental, différentes propriétés des clathrates d’HQ-CO2, -CO2/CH4 et -CH4 ont été analysées: signatures spectroscopiques, structures cristallines, morphologies, capacités de stockage de gaz, températures de relargage de gaz et températures de transition structurales. Ce travail offre aussi de nouveaux éléments de compréhension des mécanismes de formation et de dissociation des clathrates d’HQ. Il est montré que, pour capturer efficacement et sélectivement le CO2, la réaction d’enclathration doit être faite en utilisant l’intermédiaire « clathrate vide » formé à partir du clathrate d’HQ-CO2. D’un point de vue pratique, les courbes d’équilibre, les enthalpies de dissociation, et les occupations dans les conditions d’équilibre ont été déterminées pour les clathrates d’HQ-CO2 et -CH4 dans une gamme étendue de température allant de 288 à 354 K. De plus, la cinétique de la réaction d’enclathration a été étudiée expérimentalement et modélisée. Dans cette optique, un matériau composite à base d’hydroquinone a été développé, et permet de capter et stocker le gaz de manière réversible, et d’améliorer significativement la cinétique d’enclathration. Le procédé de séparation de gaz basé sur la formation du clathrate d’hydroquinone a aussi été étudié. L’influence des paramètres opératoires (i.e. temps de réaction, pression, température et composition du gaz d’alimentation) sur la cinétique de capture, la sélectivité et la capacité de stockage de gaz ont été évaluées à travers des expériences menées à l’échelle pilote. / Organic clathrate compounds, particularly those formed between hydroquinone (HQ) and gases, are supramolecular entities recently highlighted as promising alternatives for applications such as gas storage and separation processes. This study deals with an evaluation of the HQ clathrates to separate CO2 from CO2/CH4 gas mixtures through direct gas-solid reaction. On the fundamental point of view, new insights into several properties of the CO2-, CO2/CH4-, and CH4-HQ clathrates were studied: spectroscopic signatures, crystal structures, morphologies, gas storage capacities, guest release temperatures and structural transition temperatures. This work also offers new elements of understanding HQ clathrate formation and dissociation mechanisms. It is shown that, for capturing CO2 the most selectively and efficiently, the enclathration reaction has to be done with the “guest-free intermediate” derived from the CO2−HQ clathrates. On a practical point of view, the equilibrium curves, the dissociation enthalpies, and the occupancies at the equilibrium clathrate forming conditions, were determined for the CO2- and CH4-HQ clathrates in an extended range of temperature from about 288 to 354 K. Moreover, the kinetics of the gas-solid enclathration reaction were studied experimentally and modelled. In this way, HQ-based composite materials were developed and allows to reversibly capture and store gases, and to significantly improve the enclathration kinetics. The hydroquinone clathrate based gas separation (HCBGS) process was also investigated. The influence of the process operating parameters (i.e. reaction time, pressure, temperature and feed gas composition) on the CO2 capture kinetics, the selectivity toward CO2, and the storage capacity were assessed through experiments performed at pilot scale.

Durant ces 40 dernières années, le gaz naturel a vu son utilisation augmenter jusqu’à constituer aujourd’hui la troisième ressource énergétique mondiale. Il est alors devenu nécessaire de l’acheminer sur des distances de plus en plus longues entre les lieux d’extraction et de consommation. Ce transport peut s’effectuer à l’état liquide par des méthaniers ou à l’état gazeux par le biais des réseaux de transport de gaz naturel composés de canalisations de grandes dimensions, tant en diamètre qu’en longueur. Cette thèse porte sur la modélisation et l’optimisation de la configuration des réseaux de transport de gaz naturel et sur l’application au cas du réseau principal de transport français qui présente plusieurs particularités. En effet, il s’agit d’un réseau de grandes dimensions, fortement maillé pour lequel plusieurs sources d’approvisionnement sont possibles pour desservir divers points de consommation. Il possède en outre, des stations d’interconnexion entre les canalisations. GRTgaz en est le gestionnaire. Ce travail concerne l’étude de la faisabilité de configurer le réseau de transport pour un scénario d’approvisionnement et de consommation. Le coeur de cette thèse porte sur le développement d’un modèle de réseau de transport de gaz et sur la détermination des flux et des configurations des stations d’interconnexion dans ce réseau à l’aide d’outils d’optimisation. L’une des innovations est la description et la modélisation des stations d’interconnexion, carrefours incontournables du réseau. Deux modèles sont ainsi proposés, faisant intervenir une formulation d’une part mixte non linéaire en nombres entiers et d’autre part, non linéaire continue. Leur efficacité en fonction de différents solveurs d’optimisation est ensuite discutée. Le choix de la meilleure formulation du problème de transport de gaz naturel a été étudié sur un ensemble de réseaux fictifs, mais représentatifs du réseau français. La meilleure stratégie, basée sur l’utilisation combinée d’une ormulation non linéaire continue, du choix de la pression comme variable et d’une initialisation par un sous-problème a ensuite été appliquée sur des instances de taille réelle. Les difficultés du passage à des instances réelles ont ensuite été résolues à l’aide de deux améliorations: d’une part, la mise à l’échelle des variables a permis de mieux conditionner le problème, puis d’autre part, une suite de relaxations a été employée afin de résoudre tous les cas réels. Les solutions sont finalement validées à l’aide de solutions métiers existantes. / In the past 40 years, the use of natural gas has grown , so that it became the third most commonly used fuel Its use requires infrastructure for its transport over large distances between the places of extraction and consumption. This transport can be carried out by liquid methane or a gaseous state through networks of natural gas transmission pipelines that are large in both diameter and length. This thesis focuses on the optimization of natural gas transmission networks and the application to the case of the main french transmission one which presents several peculiarities. Indeed, it is a highly meshed network in which multiple sources of supply are available to feed various points of consumption. This network also owns stations of interconnection between pipelines. In this context, GRTgazis the system operator on the French territory. This work concerns the study of the feasibility of scenarios for supply and consumption. The core of this thesis is the development of a model of a gas transmission network and the determination of ows using optimization tools. One innovative aspect deals with the description and modeling of interconnection stations, that are the main hubs of the network. Two models are proposed, either based on a mixed integer non-linear formulation or on nonlinear continuous one. Their eciencyunder dierent optimization solvers are discussed. The choice of the best formulation of the problem of transportation of natural gas has been studied on a set of network ctitious, but enough representative of the french network. The best strategy, based on a continuous non-linear formulation, involving the choice of pressure as a variable as well as a sub-problem for initialization purpose was then applied to instances of actual size. The diculties of the transition to real cases were then solved using two improvements: rst, variable scale which provided a better condition the problem, then a series of relaxation have been used to solve all real cases. The solutions are nally validated using existing business applications.

Ces travaux visent à évaluer la possibilité technique, la performance énergétique et la compétitivité économique d'un procédé Power-to-SNG dans le contexte actuel et à déterminer si la réversibilité en mode Gas-to-Power est pertinente tant énergétiquement qu'économiquement, ce type de procédé étant proposé comme une solution à l'intégration des ressources renouvelables dans le mix énergétique. Les grandes étapes identifiées pour le procédé Power-to-SNG sont l'électrolyse de l'eau pour la production d'hydrogène, l'hydrogénation du dioxyde de carbone pour la production de méthane et une étape de mise aux spécifications pour satisfaire aux exigences de composition pour l'injection sur le réseau de gaz naturel. La technologie retenue pour l'électrolyse est celle des cellules à oxydes solides SOEC s'appliquant à la vapeur d'eau. L'étude énergétique du procédé Power-to-SNG réalisée par simulation avec ProsimPlus 3 montre que le couplage thermique entre la méthanation et l'électrolyse de la vapeur d'eau à haute température est pertinent, l'efficacité du procédé atteignant 75,8 % sur PCS. Concernant le procédé Gas-to-Power, il est choisi de fonctionner en pression afin de mettre en œuvre des cycles thermodynamiques complémentaires. Le choix d'alimenter la pile à combustible en hydrogène pur pour des aspects de réversibilité conduit à des limitations sur l'efficacité énergétique du procédé qui, au mieux, vaut 44,6 %. L'analyse économique des procédés Power-to-SNG et réversible est basée sur les résultats de simulations et fait appel à des performances électrochimiques observées lors de travaux expérimentaux sur monocellule avec pour point de fonctionnement un fort taux de conversion à la tension thermoneutre. Cela permet de proposer un coût actualisé du SNG produit par le procédé Power-to-SNG et un coût de l'électricité produite par le procédé réversible en considérant un couple performance électrochimique - valeur de dégradation associée cohérent et en accord avec une conduite industrielle. L'investissement et le coût d'exploitation de ces installations sont importants, conduisant à coût actualisé de l'électricité restituée au réseau électrique élevé, cela étant accentué par l'investissement supplémentaire dû à la fonction Gas-to-Power à l'installation Power-to-SNG. / The present work focuses on a Power-to-SNG process, especially on its energy efficiency and its economic competitiveness in the current context. It also aims at determining if the reversibility with a Gas-to-Power working mode is interesting from energy and financial considerations. The main steps required into a Power-to-SNG process, identified thanks to a review of the state of the art, are steam electrolysis for hydrogen production, followed by methane production thanks to the Sabatier reaction and a final step of gas purification to meet the composition requirements for gas network injection. Here, electrolysis is led into solid oxide cells. Power-to-SNG process simulations, led with ProsimPlus 3, indicate that the thermal coupling between methanation and the generation of steam to feed the electrolyzer is pertinent, the process energy efficiency achieving 75.8%. Concerning the Gas-to-Power process, its solid oxide fuel cell is pressurized to use additional thermodynamic cycles. The fuel cell is fed with pure hydrogen stream due to reversibility considerations, this limiting the energy efficiency, which highest value here is evaluated at 44.6%. The economic analysis includes experimental based data concerning electrochemical performances and degradation. They are obtained on a commercial cell tested at the thermoneutral voltage with a high steam conversion rate, these conditions being close to what can be expected for industrial process. They are used to calculate the levelized cost of the SNG produced by the Power-to-SNG process and the levelized cost of electricity produced by the reverse process. Investment and operating cost of these processes are important, leading to a high levelized cost of electricity. In the conditions of this study, adding the Gas-to-Power working mode to a Power-to-SNG process is not economically pertinent

Les matériaux énergétiques sont, par définition, des matériaux susceptibles de dégager un volume important de gaz, en se décomposant via les phénomènes suivants : combustion, déflagration ou détonation. Ils sont notamment utilisés dans les secteurs industriels de l’automobile (déploiement d’airbag), du militaire (propulsion de missiles tactiques et stratégiques, munitions) et du spatial (boosters de lanceurs spatiaux type Ariane 5). La maîtrise de leur fabrication nécessite que soient vérifiées certaines contraintes spécifiques rencontrées lors de leur mise en œuvre dans un malaxeur bivis. En effet, ce procédé de malaxage en continu induit de fortes évolutions de gradients de pression et de cisaillement au sein du matériau énergétique (entrefers réduits...) qui peuvent initier les constituants fluides et solides. Par conséquent, dans un souci de parfaite maîtrise des risques industriels, les conditions tribologiques menant à l’initiation d’un matériau énergétique, ici le propergol, lors de sa fabrication, doivent être étudiées. Malheureusement, à cause de la confidentialité industrielle liée à ce secteur d’activité, la bibliographie de la tribologie des propergols est limitée. Il apparait toutefois que peu d’études portent effectivement sur le comportement tribologique du troisième corps, c’est à dire le propergol. Ce dernier étant hétérogène (mélange de constituants fluides et de solides), il est donc nécessaire d’appréhender les écoulements internes qui l’animent sous sollicitations tribologiques. Ainsi, pour reproduire les sollicitations mécaniques élémentaires (compression et cisaillement) appliquées par les deux premiers corps que sont les vis et le fourreau, et subies par le troisième corps lors du malaxage, il a été choisi d’utiliser une approche couplée expérimentale et numérique. Cette dernière s’organise autour de l’instrumentation d’un dispositif de sécurité permettant la sollicitation par frottement du propergol et de la modélisation par éléments discrets du triplet tribologique (parois supérieure et inférieure des premiers corps, et troisième corps). Il est ainsi apparu un comportement tribologique caractéristique du troisième corps : des ségrégations entre les constituants mènent à un arrangement selon trois couches superposées dans l’épaisseur du troisième corps. Ces ségrégations sont issues de la mise en place de débits internes, spécifiques à chaque nature et géométrie de constituants. Ces débits sélectionnent les constituants présents dans l’aire de contact et favorisent l’existence de conditions tribologiques favorables à l’initiation du troisième corps (assèchement de l’épaisseur, localisation des efforts appliqués au troisième corps ...). L’ensemble de ces débits permet de reconstituer un circuit tribologique d’initiation d’un propergol et ainsi d’envisager des solutions techniques permettant d’endiguer la mise en place des conditions défavorables à la fabrication en sécurité d’un propergol dans un malaxeur bivis. / By definition, energetic materials can deliver a huge amount of gas and cause different kinds of phenomena, such as: burning, deflagration or detonation. These materials are mainly used in the automotive industry (airbag deployment), military devices (missiles, ammunition) and space launchers (Ariane 5 boosters and pyrotechnic devices). The manufacturing process, although well controlled by the historical “batch” process, presents several challenges when it is transferred to the continuous mixing process, using a twin-screw mixer device. Indeed, this last device induces extreme evolutions of pressure gradients and shearing gradients (reduced air-gap...). Plus, the energetic material is composed of fluid components and different diameters of solid components that can ignite by shearing. Consequently, tribological conditions leading to the ignition of an energetic material, a solid propellant, are studied during its manufacturing in a twin-screw mixer. Unfortunately, because of the industrial confidentiality on solid propellants, the bibliography on the solid propellants tribology is limited. However it appears that too few studies have effectively dealt with the tribological behaviour of this third body. By nature, this last is a composite material; therefore it is necessary to understand internal flows that evolve from tribological stresses. Thus, a coupled approach experimental and numerical is chosen in order to reproduce the mechanical elementary stresses applied by the two first bodies (top of screw thread and bore of the barrel element), and undergone by the third body during its manufacturing in a twin-screw mixer (compression and shearing). This approach consists of the instrumentation of a security test that shears the solid propellant and a discrete element simulation of the tribological triplet (inferior and superior first bodies, and the third body). The distinctive tribological behaviour of this third body appears obvious: different types of component segregations lead to a three superposed layer arrangement of the solid propellant thickness. These segregations come from the creation of internal component flows, specific to the nature and the geometry of the third body components. These flows select the components that remain within the contact area and also establish the tribological conditions that favour the third body ignition (gradient of mobility between solid components, draining of the third body thickness, localization of the efforts applied to the third body…). Ultimately, this study rebuilds the ignition tribological circuit(s) of a solid propellant and offers technical solutions to prevent the materialisation of unfavourable conditions to a safe solid propellant manufacturing in a twin-screw mixer.