La perte d’énergie résultant du processus de regazéification du gaz naturel liquéfié (LNG1) est bien connue et plusieurs méthodes peuvent être utilisées pour la récupérer. Toutefois, il n’existe pas de chartes pour aider à la conception de systèmes de production de puissance dans le contexte de regazéification du gaz naturel. L’objectif de ce projet est de créer des outils graphiques permettant de connaître la performance maximale de trois systèmes de production de puissance en contexte de regazéification du gaz naturel. Dans un premier temps, deux systèmes de production de puissance sont étudiés, soit le système d’expansion direct (DE) et le système de double expansion (D2E). Des modèles numériques d’optimisation ont été développés afin de maximiser le travail spécifique produit par ces systèmes, le tout pour une large gamme de conditions d’opération. Les nouvelles figures qui en résultent fournissent les valeurs maximales du travail spécifique produit, ainsi que les valeurs des variables de conception optimisées correspondantes (pressions à l’entrée des turbines). Finalement, des analyses de robustesse permettent de mesurer la capacité des systèmes DE et D2E à fournir de bonnes performances lorsqu’ils ne sont pas utilisés dans des conditions optimales. Dans un deuxième temps, un système de production de puissance basé sur un cycle de Rankine rejetant sa chaleur à du LNG est étudié. Des optimisations numériques sont effectuées afin d’obtenir le travail spécifique maximal produit par ce système et les résultats sont reportés sous forme graphique. Ces nouvelles figures fournissent les valeurs du travail spécifique maximal produit pour un large éventail de conditions d’opération, ainsi que les valeurs des quatre variables de conception optimisées correspondantes (pressions d’entrée et de sortie de la turbine, ratio de débit massique, et fluide moteur). De plus, une analyse sousoptimale est faite pour chaque fluide étudié ce qui permet d’identifier lesquels peuvent fournir une performance relative acceptable comparée aux fluides optimaux. / Energy losses occurring while liquefied natural gas (LNG) is regasified are well known in the literature and many methods to recover this energy can be used. However, there is no general guidelines that allow to identify the best designs for power generation systems using thermodynamic cycles in the context of regasification of natural gas. The main goal of this project is to develop graphical tools that allow to determine the maximum performance of three systems of power production in the context of natural gas regasification. First, two power generation systems are studied, namely the direct expansion system (DE) and the double expansion system (D2E). Numerical optimization models are developed to maximize the specific work of the systems for a wide range of operating conditions. The resulting figures provide the values of the maximal specific work and of the corresponding optimized design variables (inlet and outlet turbine pressures). Finally, robustness analyses are performed to measure the capacity of the DE and D2E systems to provide good performances when they are used in non-optimal conditions. Second, a Rankine cycle using regasifying LNG as a heat sink is studied. Numerical optimizations are performed to get the maximal specific work of the system and the results are reported in graphical form. These new figures provide the value of the maximal specific work for a wide range of operating conditions, and also the values of the four corresponding optimal design variables (inlet and outlet turbine pressures, mass flow rate ratio, and working fluid). Furthermore, a sub-optimal analysis is performed for each fluid investigated and the resulting figures allow to identify the fluids that can provide a performance close to the performance provided by the best fluids.

L’objectif du mémoire est de montrer que le projet de la Route bleue de Gaz Métro visant le développement du transport lourd au gaz naturel est un exemple concret de marché biface. Ce type de marché se distingue par la présence d’une entreprise qui, pour vendre son produit, doit s’assurer de l’intérêt de deux clientèles distinctes. La possibilité pour l’entreprise d’appliquer une tarification différenciée pour chacune de ces clientèles constitue une stratégie caractéristique des marchés bifaces. Pour vendre du gaz naturel comme carburant, Gaz Métro doit s’assurer de l’intérêt des compagnies de transport, mais aussi de l’intérêt des investisseurs en infrastructure de ravitaillement. Dans ce mémoire, nous adaptons le modèle théorique de Rochet et Tirole (2006) au cas spécifique de la Route bleue. Reconnaître la Route bleue comme un marché biface permet d’étudier sous un angle nouveau les stratégies économiques utilisées par Gaz Métro pour faire de son projet une réussite.

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

Rapporté à la tonne de fret, le trafic maritime est un mode de transport relativement « propre ». Néanmoins, par l’intensification des échanges mondiaux, sa part dans les émissions de Gaz à Effet de Serre (GES) au niveau mondial est appelée à augmenter. Conscients des effets néfastes associés aux GES, les pays membres des nations unies, via l’organisation maritime internationale, imposent le cadre réglementaire pour que ce secteur, vital dans une économie mondialisée, demeure écologiquement acceptable. Des objectifs ambitieux sont établis à court (2020) et moyen terme (2050). Or, d’après l’hypothèse faible de Porter, fixer des objectifs environnementaux sans imposer les moyens à mettre en oeuvre favorise l’innovation. Aussi, dans l’industrie du « shipping », les solutions fleurissent au premier rang desquelles figure l’emploi du Gaz Naturel Liquéfié (GNL) en tant que combustible. D’un point de vue thermodynamique, les inévitables infiltrations thermiques à travers les parois des réservoirs cryogéniques entraînent une variation de la pression dans le réservoir et des fluctuations de la qualité du gaz à l’admission moteur. Selon le schéma d’exploitation navire, ces deux phénomènes impactent significativement la pertinence de l’option GNL. En réponse, cette thèse propose un ensemble de modèles 0D pour, à partir d’un profil opérationnel, évaluer :1. l’évolution de la pression dans les réservoirs ;2. l’évolution de la qualité du gaz à l’admission moteur.Dans une première partie, des modèles sont proposés pour simuler les infiltrations thermiques à travers le réservoir, l’évaporation du GNL, son vieillissement (altération des propriétés du gaz par évaporation différenciée des composés) et l’évolution du taux de méthane à l’admission moteur. Puis, les modèles sont assemblés à travers une étude de cas apportée par un acteur du transport maritime. / In proportion to the ton of cargo, shipping is a relatively “clean” transportation mode. Nevertheless, due to global trade intensification, its share in the global greenhouse gas (GHG) emissions should increase. Aware that GHG adverse effects are a major concern for humanity, united nation member states impose, via the international maritime organization, a regulatory framework so that this vital sector in a global economy remains sustainable. Short (2020) and medium (2050)-term goals are set. According to the weak version of Porter’s hypothesis, strict environmental regulations encourage innovations. Hence, in the shipping industry solutions flourish among which the use of Liquefied Natural Gas (LNG) as a fuel. On a thermodynamic basis, the unavoidable heat leaks into the cryogenic tanks cause variations of the tank pressure and the natural gas quality at engine inlet. Depending on the ship’s operational profile, those two phenomena will impact significantly the LNG as a fuel option relevance. One major bottleneck slowing the uptake of LNG as a marine fuel is the lack of methods and models to perform, at a concept design level, the feasibility study. In response, this thesis proposes 0D models to assess from the operational profile:1. the tank pressure evolution;2. the gas quality evolution at engine inlet.In the first part, models are proposed to simulate heat leaks into the tanks, LNG vaporization, ageing (the alteration of natural gas thermophysical properties by a differentiate vaporization of its compounds) and methane number evolution at engine inlet. Then, the models are put together and applied on a case study. The ship concept is proposed by a freight company.

Un bras de chargement de gaz est une structure articulée dans laquelle du méthane peut s’écouler à température cryogénique. En haute mer, ces bras sont installés sur le pont de navires-usines et se connectent à des méthaniers pour leur transférer du gaz. En raison de problèmes de sécurité et de performances, il est souhaité que le bras de chargement soit robotisé pour qu’il se connecte automatiquement. Cette thèse a pour objectif l‘automatisation de la connexion. Cette opération nécessite un pilotage de grande précision vis à vie de la taille du bras. Pour cette raison le bras est d’abord étalonné pour augmenter sa précision statique. Ensuite, des analyses modales expérimentales mettent en évidence l’importante souplesse de la structure des bras de chargement. Pour cette raison un générateur de trajectoires « douces », à jerk limité, est développé afin de piloter le bras sans le faire vibrer. Enfin, un système de compensation actif visant à compenser les mouvements relatifs des deux navires est mis en place. Cette compensation combine la génération de trajectoires douces avec une composante prédictive basée sur des réseaux de neurones. Cette dernière permet de prédire et d’anticiper les mouvements des navires sur l’océan, afin d’annuler tout retard dans la compensation. Finalement, cette thèse présente la première connexion automatique d’un bras de chargement, et démontre la validité de cette approche. / Marine loading arms are articulated structures that transfer liquefied gas between two vessels. The flanging operation of the loading arm to the receiving tanker is very sensitive. This thesis aims to robotize a loading arm so it can flange automatically. The required accuracy for the connection is very high. A calibration procedure is thus proposed to increase the accuracy of loading arms. Moreover a jerk-limited trajectory generator is developed to smoothly drive the arm without inducing oscillation. This element is important because the structures of loading arms have a very low stiffness and easily oscillate, as highlighted by modal analyses.A predictive active compensation algorithm is developed to track without delay the relative motion between the two vessels. This algorithm relies on an artificial neural network able to predict the evolution of this relative motion. Finally this thesis presents the first automatic connection of an offshore loading arm. The success of the final tests validate the feasibility the automatic connection and the validity of this approach.

Comme de nombreux grands projets industriels, Énergie Saguenay a généré sa part de controverse. En effet, de 2014 à aujourd’hui, différents acteurs ont publiquement partagé leurs conceptions du projet. Ils l’ont défini à leur manière, s’opposant et se rejoignant parfois sur certains points. Mon objectif de recherche général est donc de décrire le processus de dispute propre à Énergie Saguenay dans ses caractéristiques rhétoriques et ses effets propres. Pour rendre compte de cet objectif, je mobilise trois littératures scientifiques. Premièrement, la littérature sur les controverses sociotechniques m’a permis de concevoir comment, d’un côté, des réseaux d’acteurs se forment et évoluent par et tout au long d’une controverse et de l’autre, comment les controverses agissent comme un lieu d’apprentissage et d’expression. Deuxièmement, je me suis inspirée de la problématisation, première étape du modèle de la traduction (Callon, 1986), pour identifier les points passages obligés (PPO) de la controverse Énergie Saguenay, soit ses principaux enjeux auxquels les acteurs doivent consentir pour sceller des alliances. Finalement, j’ai fait appel à la théorie des arguments de définition mise de l’avant par Schiappa (2003) et Zarefsky (1997) pour définir dans quel genre de controverse s’inscrit Énergie Saguenay et comment les définitions particulières d’un phénomène, en particulier le gaz en tant qu’énergie de transition, participent à la formulation de PPO. Dans l’ensemble, mon travail de recherche contribue à rendre compte des manières dont les pratiques de définition nous aident à comprendre comment, sur le plan rhétorique, se créent des points de passage obligés dans une controverse. Plus spécifiquement, par l’analyse des mémoires déposés au BAPE par les acteurs qui composent les groupes sociaux qui ont participé à la controverse, mon étude met de l’avant les différentes pratiques de définition et conceptions du gaz naturel qui existent en ce moment au Québec comme autant de PPO permettant aux acteurs de s’allier ou de s’opposer les uns aux autres, tout au long de la controverse. / Like many large industrial projects, Énergie Saguenay has generated its share of controversy. Indeed, from 2014 to today, various groups of social actors have publicly shared their conceptions of the project. They defined it in their own way, agreeing on some points and disagreeing on others. My general research objective is therefore to describe the dispute process specific to Énergie Saguenay in its rhetorical characteristics and its own effects. To account for this objective, I will mobilize three scientific literatures. First, the literature on socio-technical controversies has allowed me to conceive how on the one hand, networks of social actors are formed and evolve during a controversy and on the other, how controversies create a space for learning and expression. Second, I was inspired by problematization, the first stage of the translation model (Callon, 1986), to identify the obligatory points of passage (OPP) of the Énergie Saguenay controversy, i.e., these main issues to which the various groups of social actors must agree to seal alliances. Finally, I appealed to the theory of definition arguments put forward by Schiappa (2003) and Zarefsky (1997) to define what category of controversy Énergie Saguenay fits into and how the specific definitions of a phenomenon (in particular gas as a transition energy) participate in the formulation of OPP. Overall, my research helps capture the ways in which defining practices help us understand how, at the rhetorical level, OPPs are created in controversy. More specifically, by analyzing the briefs submitted to the BAPE by the actors who make up the social groups who had participated in the controversy, my study puts forward the different definition practices that contributed to the conceptions of natural gas that currently exist in Québec, as so many OPPs allow the actors to align or oppose each other throughout the controversy.