Ce travail présente une démarche méthodologique visant le " traitement de profils " de " mission " et plus généralement de " variables environnementales " (mission, gisement, conditions aux limites), démarche constituant la phase amont essentielle d‟un processus de conception systémique. La " classification " et la " synthèse " des profils relatifs aux variables d‟environnement du système constituent en effet une première étape inévitable permettant de garantir, dans une large mesure, la qualité du dispositif conçu et ce à condition de se baser sur des " indicateurs " pertinents au sens des critères et contraintes de conception. Cette approche s‟inscrit donc comme un outil d‟aide à la décision dans un contexte de conception systémique. Nous mettons en particulier l‟accent dans cette thèse sur l‟apport de notre approche dans le contexte de la conception par optimisation qui, nécessitant un grand nombre d‟itérations (évaluation de solutions de conception), exige l‟utilisation de " profils compacts " au niveau informationnel (temps, fréquence,...). Nous proposons dans une première phase d‟étude, une démarche de " classification " et de " segmentation " des profils basée sur des critères de partitionnement. Cette étape permet de guider le concepteur vers le choix du nombre de dispositifs à concevoir pour sectionner les produits créés dans une gamme. Dans une deuxième phase d‟étude, nous proposons un processus de " synthèse de profil compact ", représentatif des données relatives aux variables environnementales étudiées et dont les indicateurs de caractérisation correspondent aux caractéristiques de référence des données réelles. Ce signal de durée réduite est obtenu par la résolution d‟un problème inverse à l‟aide d‟un algorithme évolutionnaire en agrégeant des motifs élémentaires paramétrés (sinusoïde, segments, sinus cardinaux). Ce processus de " synthèse compacte " est appliqué ensuite sur des exemples de profils de missions ferroviaires puis sur des gisements éoliens (vitesse du vent) associés à la conception de chaînes éoliennes. Nous prouvons enfin que la démarche de synthèse de profil représentatif et compact accroît notablement l'efficacité de l‟optimisation en minimisant le coût de calcul facilitant dès lors une approche de conception par optimisation.

Cette thèse de doctorat propose une méthodologie d’identification et de quantification du gisement éolien dans un contexte insulaire caractérisé par une topographie complexe et une forte pression sur l’usage des sols, puis elle l’applique au cas de l’île de La Réunion. Notre approche est interdisciplinaire, faisant appel tour à tour au droit, à la géographie, à la statistique et à la physique pour quantifier le gisement éolien à l’île de La Réunion, puis à l’économie pour évaluer le coût d’exploitation de ce gisement et définir des politiques publiques de soutien à la production d’électricité éolienne. La première partie de la thèse évalue l’impact du cadre réglementaire foncier sur le potentiel éolien en termes de puissance éolienne crête installable à La Réunion. Ce cadre réglementaire est défini en termes de scenarios décrivant les enjeux sociaux et environnementaux propres à l’installation de capacités éoliennes à l’île de La Réunion. Une approche basée sur les Systèmes d’Information Géographique est développée pour identifier la répartition spatiale des sites éoliens accessibles en fonction de l’évolution du cadre juridique foncier à La Réunion. La deuxième partie de la thèse vise à quantifier le gisement éolien sur les sites accessibles du point de vue règlementaire. La thèse expose la méthodologie d’étude de la distribution jointe de la distribution de la vitesse et de la direction horizontales du vent basée sur une analyse des variations saisonnières et journalières, et identifie les différents régimes de vent en vigueur à La Réunion. Elle justifie le recours au modèle paramétrique de Weibull dans un cadre probabiliste et montre l’intérêt d’utiliser un mélange de distributions de Weibull conditionnelles à la direction du vent, pour quantifier le potentiel éolien d’un site, par rapport au modèle conventionnel de Weibull à deux paramètres. La thèse présente également une méthodologie de construction de l’information géographique concernant les obstacles au sol, nécessaire pour profiler le cisaillement vertical du vent à La Réunion. Elle propose ensuite deux méthodes de prévision spatiale de la ressource éolienne permettant de l’évaluer à partir des observations réalisées aux stations météorologiques disponibles et utilise ces méthodes pour modéliser l’évolution spatiale de la moyenne et du coefficient de variation empiriques de la vitesse du vent. La dernière partie de notre thèse présente une méthode d’évaluation croisée de la politique réglementaire et de la politique de subvention de l’électricité éolienne par le biais de systèmes de tarifs de rachat garantis. Pour chaque scénario de politique réglementaire, on identifie les éoliennes qui sont économiquement profitables dans le cadre de la politique publique de subvention de l’éolien pratiquée à La Réunion. Pour chaque scénario réglementaire, on évalue également le niveau du tarif de rachat garanti de l’électricité éolienne permettant d’atteindre les objectifs publics de développement de l’éolien à La Réunion, ce qui permet de chiffrer le montant du subventionnement public nécessaire pour atteindre ces objectifs. / This doctoral thesis proposes a methodology to identify and quantify the wind power resource in a context characterized by a complex topography and a strong competition for land use, and then it applies it to the case of Reunion island. Our approach is interdisciplinary by using in turn law, geography, statistics and physics to quantify the wind power resource in Reunion Island, then economics to cost the mining of this deposit and to formulate public policies to support wind power generation. The first part of the thesis assesses the impact of land regulatory framework on the wind power resource defined in terms of installable peak power. This regulatory framework is defined in terms of scenarios depicting the social and environmental challenges associated with wind power generation in Reunion Island. A methodology based on Geographic Information Systems is developed to identify the spatial distribution of installable wind farms and to assess the impact of an evolution of land legal framework in Reunion. The second part of the thesis aims at quantifying the wind power on sites accessible from a regulatory point of view. The thesis presents a methodology to study the joint distribution of horizontal wind speed and direction based on the analysis of its seasonal and daily variations, and identifies the different wind regimes in force in Reunion. The thesis supports the use of Weibull distribution model on ground of probability theory, and provides evidence of superiority of using a mixture of Weibull distributions conditional on wind direction to quantify the wind power resource of an accessible site with respect to the use of the conventional marginal two parameters Weibull model. The thesis also provides a methodology to construct the geographical information regarding ground obstacles necessary for profiling the vertical wind shear profile in Reunion. Then, the thesis proposes two spatial prediction methods to assess the spatial distribution of wind resource allowing its estimation from the observations recorded at the available weather stations, and uses these methods to model the spatial evolution of the wind speed mean and variation coefficient. The last part of the thesis provides a method to cross assess the regulatory public policy and the public subsidy policy for wind power generation through feed-in-tariff schemes. For each regulatory scenario, we identify the wind power plants which are profitable under existing feed-in-tariff schemes. For each regulatory scenario, we also evaluate the level at which the feed-in-tariff must be set to reach public objectives of wind power development in Reunion, which allows to assess the amount of public subsidy needed to achieve these objectives.

Ce travail présente une démarche méthodologique visant le «traitement de profils» de «mission» et plus généralement de «variables environnementales» (mission, gisement, conditions aux limites), démarche constituant la phase amont essentielle d’un processus de conception systémique. La «classification» et la «synthèse» des profils relatifs aux variables d’environnement du système constituent en effet une première étape inévitable permettant de garantir, dans une large mesure, la qualité du dispositif conçu et ce à condition de se baser sur des «indicateurs» pertinents au sens des critères et contraintes de conception. Cette approche s’inscrit donc comme un outil d’aide à la décision dans un contexte de conception systémique. Nous mettons en particulier l’accent dans cette thèse sur l’apport de notre approche dans le contexte de la conception par optimisation qui, nécessitant un grand nombre d’itérations (évaluation de solutions de conception), exige l’utilisation de «profils compacts» au niveau informationnel (temps, fréquence,…). Nous proposons dans une première phase d’étude, une démarche de «classification» et de «segmentation» des profils basée sur des critères de partitionnement. Cette étape permet de guider le concepteur vers le choix du nombre de dispositifs à concevoir pour sectionner les produits créés dans une gamme. Dans une deuxième phase d’étude, nous proposons un processus de «synthèse de profil compact», représentatif des données relatives aux variables environnementales étudiées et dont les indicateurs de caractérisation correspondent aux caractéristiques de référence des données réelles. Ce signal de durée réduite est obtenu par la résolution d’un problème inverse à l’aide d’un algorithme évolutionnaire en agrégeant des motifs élémentaires paramétrés (sinusoïde, segments, sinus cardinaux). Ce processus de «synthèse compacte» est appliqué ensuite sur des exemples de profils de missions ferroviaires puis sur des gisements éoliens (vitesse du vent) associés à la conception de chaînes éoliennes. Nous prouvons enfin que la démarche de synthèse de profil représentatif et compact accroît notablement l’efficacité de l’optimisation en minimisant le coût de calcul facilitant dès lors une approche de conception par optimisation. / This work presents a methodological approach aiming at analyzing and processing mission profiles and more generally environmental variables (e.g. solar or wind energy potential, temperature, boundary conditions) in the context of system design. This process constitutes a key issue in order to ensure system effectiveness with regards to design constraints and objectives. In this thesis, we pay a particular attention on the use of compact profiles for environmental variables in the frame of system level integrated optimal design, which requires a wide number of system simulations. In a first part, we propose a clustering approach based on partition criteria with the aim of analyzing mission profiles. This phase can help designers to identify different system configurations in compliance with the corresponding clusters: it may guide suppliers towards “market segmentation” not only fulfilling economic constraints but also technical design objectives. The second stage of the study proposes a synthesis process of a compact profile which represents the corresponding data of the studied environmental variable. This compact profile is generated by combining parameters and number of elementary patterns (segment, sine or cardinal sine) with regards to design indicators. These latter are established with respect to the main objectives and constraints associated to the designed system. All pattern parameters are obtained by solving the corresponding inverse problem with evolutionary algorithms. Finally, this synthesis process is applied to two different case studies. The first consists in the simplification of wind data issued from measurements in two geographic sites of Guadeloupe and Tunisia. The second case deals with the reduction of a set of railway mission profiles relative to a hybrid locomotive devoted to shunting and switching missions. It is shown from those examples that our approach leads to a wide reduction of the profiles associated with environmental variables which allows a significant decrease of the computational time in the context of an integrated optimal design process.