L’engagement de l’Europe sur les énergies renouvelables amène à l’accélération du développement du biométhane comme énergie renouvelable. Les travaux de cette thèse portent sur une partie du procédé Cryo Pur qui est un procédé essentiellement frigorifique qui va permettre en refroidissant le biogaz de la température ambiante à -120 °C, de séparer successivement l’eau, le CO2 et des polluants pour obtenir du méthane et du CO2 liquides de hautes puretés. Les objectifs poursuivis sont méthodologiques et expérimentaux. La méthode est celle de l’intégration énergétique associée à une analyse exergétique du procédé. L’analyse intègre la production frigorifique et la production de chaleur par les groupes frigorifiques pour son utilisation dans le procédé de méthanisation. L’optimisation énergétique part de l’analyse exergétique et identifie les pertes des différentes étapes du procédé et intègre à la fois les productions frigorifiques aux différents niveaux de température et la production de chaleur utilisée dans le digesteur. Le besoin en chaleur du digesteur se situe autour de 50 à 55 °C pour les bactéries thermophiles. Pour l’épuration du biogaz et la liquéfaction du biométhane, les besoins frigorifiques se situent de la température ambiante jusqu’à-120 °C. Dans le procédé Cryo Pur, la production frigorifique s’effectue à 4 niveaux de températures : 2°C, -40 °C, -78 °C et -120 °C. La pompe à chaleur est couplée aux différents systèmes frigorifiques en refroidissant un frigoporteur à une température qui fait l’objet de l’optimisation globale du système de thermo-frigo-pompe. En effet la pompe à chaleur refroidit les condenseurs des 4 systèmes frigorifiques et la chaleur récupérée des groupes froids est valorisée à 55 °C par la pompe à chaleur.Complémentairement à cette optimisation énergétique globale, la thèse se focalise sur le givrage et dégivrage de l’eau contenue dans le biogaz. Cette opération consomme beaucoup d’énergie et un travail d’optimisation énergétique est mené pour minimiser la consommation d’énergie pour la déshumidification du biogaz de la température ambiante à -78 °C. La représentation des cycles associés au givrage et dégivrage de la glace hydrique et des pertes associées aux montées et descentes en température des masses métalliques des échangeurs requière une modélisation dynamique de ces phénomènes. Du point de vue expérimental les cycles de givrage et dégivrage de l’eau font l’objet d’une optimisation quant à leur gestion.Les travaux de la modélisation donneront lieu à dimensionner les échangeurs des cycles de givrage et de dégivrage. Le but finalement étant l’obtention d’un rendement exergétique le plus élevé possible. Les essais ont permis de valider les modèles d’échangeurs et des systèmes frigorifiques. L’optimisation intègre également le choix des mélanges des fluides frigorigènes. / Europe's commitment to renewable energy leads to accelerate the biomethane development as a renewable energy. The work of this thesis is based on the Cryo Pur process which is essentially a cooling process that will allow the biogas cooling from ambient temperature to -120 °C. While cooling the biogas, water vapor, CO2 and pollutants must be separated to obtain liquefied biomethane and bio CO2. The objectives pursued are methodological and experimental. The method used is the energy integration associated with an exergy analysis of the process. The analysis integrates the cooling production and the heat production by the refrigeration units for the use in the methanisation process. The energy optimization starts from the exergy analysis and identifies the losses of the various stages of the process and integrates both the cooling production at different temperature levels and the heat production used in the digester. The heat requirement of the digester is around 50 to 55 °C for the thermophilic bacteria. For the biogas upgrading and the liquefaction of biomethane, the cooling requirements are from ambient temperature to -120 °C. In the Cryo Pur process, refrigeration is carried out at 4 different temperature levels: 2 °C, -40 °C, -78 °C and -120 °C. The heat pump is coupled to the various refrigeration systems by cooling a refrigerant at a temperature which is the objective of the overall optimization of the heat pump system. The heat pump cools the condensers of the 4 refrigeration systems and the heat recovered from the refrigeration systems is upgraded to 55 °C by the heat pump.In addition to this overall energy optimization, the thesis focuses on the frosting and defrosting of the water contained in the biogas. This operation consumes a lot of energy. An energy optimization work is carried out to minimize the energy consumption for the dehumidification of biogas from ambient temperature to -78 ° C. The representation of the frosting and defrosting cycles and the losses associated with the temperature of the metallic mass of the heat exchangers requires a dynamic modeling. The dynamic modeling will lead to design the heat exchangers. The ultimate aim is to achieve the highest possible exergy efficiency. Tests made it possible to validate the models of the heat exchangers and refrigeration systems. The optimization also integrates the choice of refrigerant mixtures.

La distillation est une opération unitaire de séparation qui est largement utilisée. Toutefois, lorsque les volatilités des corps à séparer sont proches, le besoin en énergie de la colonne augmente, et l’efficacité énergétique du procédé de séparation diminue. Ainsi, la faiblesse de la distillation est son efficacité énergétique (au maximum 10 %). La réduction de la consommation énergétique des colonnes à distiller est donc un enjeu majeur dans le contexte énergétique actuel. Une des voies prometteuses est les colonnes à distiller dites HIDiC (Heat Integrated Distillation Column). Dans ce type de configuration, la colonne est scindée en deux colonnes : une colonne d’appauvrissement et une colonne d’enrichissement. La colonne d’appauvrissement opère à un niveau de pression plus faible que la colonne d’enrichissement. Un compresseur ainsi qu’une vanne de détente sont installés pour ajuster les niveaux de pression respectifs dans les deux parties. La différence de pression ainsi établie permet d’imposer une différence de températures qui offre la possibilité de transférer de l’énergie entre les deux colonnes par l’intermédiaire d’une technologie de transfert de chaleur. Dans un premier temps, l’objet de cette étude est de valider une nouvelle technologie de transfert thermique pour les colonnes concentriques HIDiC. Cette technologie innovante, Mousse métallique à cellules ouvertes, est caractérisée et validée en comparant avec un garnissage classique. Pour cela, un pilote expérimental de colonne concentrique contenant le garnissage structuré a été mis en oeuvre au laboratoire. Les résultats des mousses métalliques ont montré une performance thermique plus importante que le garnissage classique avec un gain moyen de 102 %. La conductance thermique des mousses métallique à cellules ouvertes obtenue expérimentalement est de 1285 W.K-1. Ces résultats confirment l’intérêt de l’utilisation du garnissage innovant dans les colonnes de distillation HIDiC en tant que technologie de transfert de chaleur. Dans un deuxième temps, un outil de simulation des colonnes HIDiC est développé dans le logiciel commercial ProSim Plus™®. Par rapport aux colonnes de distillation conventionnelles, les colonnes HIDiC possèdent des paramètres spécifiques tels que le rapport de pression et le profil d’échange de chaleur entre les deux sections de la colonne. Une procédure d’optimisation est élaborée afin d’obtenir une colonne HIDiC avec un coût total annuel « TAC » minimal et une distribution énergétique optimale. La méthode stochastique est adoptée avec un algorithme génétique « AG » ou l’initialisation des variables d’action n’est pas nécessaire. Deux études de cas sont effectuées. L’une est un système largement étudié dans la littérature, le mélange (Benzène/Toluène). La procédure de conception et d’optimisation est évaluée. Une réduction du TAC de 7,4 % et 13,9 % est obtenue par rapport aux précédents travaux de la littérature. L’autre étude de cas est un mélange binaire (Cyclohexane/n-Heptane). Les résultats de la simulation concernant les quantités d’énergie échangées de la colonne d’enrichissement vers la colonne d’appauvrissement sont validés en vérifiant la faisabilité du transfert thermique par la conductance thermique de la technologie innovante obtenue expérimentalement UA (W.K-1). / Distillation is the most applied separation technology. Its major drawback is the low thermodynamic efficiency (typically around 10 %). In response to environmental issues that concern energy consumption of distillation column, HIDiC (heat integrated distillation column) which combines advantages of vapor recompression and diabatic operation is expected to have a large impact on energy saving. The mixtures with close boiling point are confirmed to be the best candidates for HIDiC. In fact, in this configuration the rectifying section and the stripping section are separated. Heat is transferred inside the distillation column from the rectifying to the stripping section, because the operating pressure (and thus the temperature) of the rectifying section is increased by means of the compressor. First, a novel technology of heat and mass transfer between rectifying column and stripping column is characterized and validated on an experimental pilot. A concentric HIDiC which contains metal foam packing is designed. Compared to the Raschig Super-Ring results, the heat transfer in this structured packing is more efficient, with a gain up to 102 %. The obtained thermal conductance UA (W.K-1) of the innovative column packing is 1285 W.K-1. This confirms the purpose of open cell metal foams use in HIDiC as a heat transfer technology. Secondly, the aim of this study is to optimize the HIDiC sensitive parameters so as to minimize the Total Annual Cost (TAC). For this, a HIDiC simulation model is developed by using commercial software ProSim Plus™®. GA (Genetic Algorithm) is used to find the optimal HIDiC configuration where variables are optimized without initialization. Binary (Benzene/Toluene) separation case is examined for the evaluation of the proposed method. As a result, 7.4 % and 13.9 % TAC reductions are realized in comparison with the reported solutions in previous works. Binary (Cyclohexane/n-Heptane) is studied to evaluate the physical feasibility of heat transfer between rectifying and stripping column by the experimental thermal conductance (UA experimental [W.K-1]) of the innovative column packing.

Nous étudions la distillation extractive continue de mélanges azéotropiques à temperature de bulle minimale avec un entraineur lourd (classe 1.0-1a) avec comme exemples les mélanges acétone-méthanol avec l’eau et DIPE-IPA avec le 2-méthoxyethanol. Le procédé inclut les colonnes de distillation extractive et de régénération de l’entraineur en boucle ouverte et en boucle fermée. Une première stratégie d’optimisation consiste à minimiser la fonction objectif OF en cherchant les valeurs optimales du débit d’entraineur FE, les positions des alimentations en entraineur et en mélange NFE, NFAB, NFReg, les taux de reflux R1, R2 et les débits de distillat de chaque colonne D1, D2. OF décrit la demande en énergie par quantité de distillat et tient compte des différences de prix entre les utilités chaudes et froides et entre les deux produits. La deuxième stratégie est une optimisation multiobjectif qui minimise OF, le coût total annualisé (TAC) et maximise deux nouveaux indicateurs thermodynamiques d’efficacité de séparation extractive totale Eext et par plateau eext. Ils décrivent la capacité de la section extractive à séparer le produit entre le haut et le bas de la section extractive. L’analyse thermodynamique des réseaux de courbes de résidu ternaires RCM et des courbes d’isovolatilité montre l’intérêt de réduire la pression opératoire dans la colonne extractive pour les séparations de mélanges 1.0-1a. Une pression réduite diminue la quantité minimale d’entraineur et accroît la volatilité relative du mélange binaire azéotropique dans la région d’opération de la colonne extractive. Cela permet d’utiliser un taux de reflux plus faible et diminue la demande énergétique. La première stratégie d’optimisation est conduite avec des contraintes sur la pureté des produits avec les algorithmes SQP dans les simulateurs Aspen Plus ou Prosim Plus en boucle ouverte. Les variables continues optimisées sont : R1, R2 et FE (étape 1). Une étude de sensibilité permet de trouver les valeurs de D1, D2 (étape 2) et NFE, NFAB, NFReg (étape 3), tandis l’étape 1 est faite pour chaque jeu de variables discrètes. Enfin le procédé est resimulé en boucle fermée et TAC, Eext et eext sont calculés (étape 4). Les bilans matières expliquent l’interdépendance des débits de distillats et des puretés des produits. Cette optimisation permet de concevoir des procédés avec des gains proches de 20% en énergie et en coût. Les nouveaux procédés montrent une amélioration des indicateurs Eext et eext. Afin d’évaluer l’influence de Eext et eext sur la solution optimale, la seconde optimisation multiobjectif est conduite. L’algorithme génétique est peu sensible à l’initialisation, permet d’optimiser les variables discrètes N1, N2 et utilise directement le shéma de procédé en boucle fermée. L’analyse du front de Pareto des solutions met en évidence l’effet de FE/F et R1 sur TAC et Eext. Il existe un Eext maximum (resp. R1 minimum) pour un R1 donné (resp. Eext). Il existe aussi un indicateur optimal Eext,opt pour le procédé optimal avec le plus faible TAC. Eext,opt ne peut pas être utilisé comme seule fonction objectif d’optimisation mais en complément des autres fonctions OF et TAC. L’analyse des réseaux de profils de composition extractive explique la frontière du front de Pareto et pourquoi Eext augmente lorsque FE diminue et R1 augmente, le tout en lien avec le nombre d’étage. Visant à réduire encore TAC et la demande énergétique nous étudions des procédés avec intégration énergétique double effet (TEHI) ou avec des pompes à chaleur (MHP). En TEHI, un nouveau schéma avec une intégration énergétique partielle PHI réduit le plus la demande énergétique. En MHP, la recompression partielle des vapeurs VRC et bottom flash partiel BF améliorent les performances de 60% et 40% respectivement. Au final, le procédé PHI est le moins coûteux tandis que la recompression totale des vapeurs est la moins énergivore. / We study the continuous extractive distillation of minimum boiling azeotropic mixtures with a heavy entrainer (class 1.0-1a) for the acetone-methanol with water and DIPE-IPA with 2-methoxyethanol systems. The process includes both the extractive and the regeneration columns in open loop flowsheet and closed loop flowsheet where the solvent is recycled to the first column. The first optimization strategy minimizes OF and seeks suitable values of the entrainer flowrate FE, entrainer and azeotrope feed locations NFE, NFAB, NFReg, reflux ratios R1, R2 and both distillates D1, D2. OF describes the energy demand at the reboiler and condenser in both columns per product flow rate. It accounts for the price differences in heating and cooling energy and in product sales. The second strategy relies upon the use of a multi-objective genetic algorithm that minimizes OF, total annualized cost (TAC) and maximizes two novel extractive thermodynamic efficiency indicators: total Eext and per tray eext. They describe the ability of the extractive section to discriminate the product between the top and to bottom of the extractive section. Thermodynamic insight from the analysis of the ternary RCM and isovolatility curves shows the benefit of lowering the operating pressure of the extractive column for 1.0-1a class separations. A lower pressure reduces the minimal amount of entrainer and increases the relative volatility of original azeotropic mixture for the composition in the distillation region where the extractive column operates, leading to the decrease of the minimal reflux ratio and energy consumption. The first optimization strategy is conducted in four steps under distillation purity specifications: Aspen Plus or Prosim Plus simulator built-in SQP method is used for the optimization of the continuous variables: R1, R2 and FE by minimizing OF in open loop flowsheet (step 1). Then, a sensitivity analysis is performed to find optimal values of D1, D2 (step 2) and NFE, NFAB, NFReg (step 3), while step 1 is done for each set of discrete variables. Finally the design is simulated in closed loop flowsheet, and we calculate TAC and Eext and eext (step 4). We also derive from mass balance the non-linear relationships between the two distillates and how they relate product purities and recoveries. The results show that double digit savings can be achieved over designs published in the literature thanks to the improving of Eext and eext. Then, we study the influence of the Eext and eext on the optimal solution, and we run the second multiobjective optimization strategy. The genetic algorithm is usually not sensitive to initialization. It allows finding optimal total tray numbers N1, N2 values and is directly used with the closed loop flow sheet. Within Pareto front, the effects of main variables FE/F and R1 on TAC and Eext are shown. There is a maximum Eext (resp. minimum R1) for a given R1 (resp. Eext). There exists an optimal efficiency indicator Eext,opt which corresponds to the optimal design with the lowest TAC. Eext,opt can be used as a complementary criterion for the evaluation of different designs. Through the analysis of extractive profile map, we explain why Eext increases following the decrease of FE and the increase of R1 and we relate them to the tray numbers. With the sake of further savings of TAC and increase of the environmental performance, double-effect heat integration (TEHI) and mechanical heat pump (MHP) techniques are studied. In TEHI, we propose a novel optimal partial HI process aiming at the most energy saving. In MHP, we propose the partial VRC and partial BF heat pump processes for which the coefficients of performance increase by 60% and 40%. Overall, optimal partial HI process is preferred from the economical view while full VRC is the choice from the environmental perspective.

Les microalgues sont de plus en plus regardées pour leurs potentiels énergétiques et leurs nombreuses applications. Mais les systèmes de production actuels, que se soit les systèmes dits ouvert comme les bassins ou les systèmes fermés, appelés photobioréacteurs, sont très énergivores et pas assez productifs. Cette thèse propose un nouveau concept de photobioréacteur, composé d'un airlift et d'une plaque mince. Le photobioréacteur est caractérisé expérimentalement et est modélisé sous plusieurs aspects. L'hydrodynamique du système est modélisée pour prédire le comportement des fluides dans le système. Les phénomènes de transferts de masse sont modélisés par le modèle des deux films. La modélisation permet de connaitre l'apport minimum nécessaire en dioxyde de carbone pour la culture des microalgues et permet d'évaluer la concentration en oxygène dissous dans le photobioréacteur. Elle permet aussi d'évaluer son élimination par le système, l'oxygène étant inhibant pour la culture. Les phénomènes de transferts de chaleur sont aussi modélisés, permettant de connaitre l'impact des différents paramètres (ensoleillement, température de l'air ambiant) sur la température de culture. Ces différents modèles sont rassemblés en un modèle global qui est comparé aux résultats expérimentaux de culture d'algues. Le modèle global est ensuite utilisé dans un contexte plus complexe : l'intégration des plaques minces du photobioréacteur aux parois d'un bâtiment. Le modèle global permettra d'étudier l'effet les différentes orientations (Nord, Sud, Est, Ouest en vertical sur les façades et à l'horizontal sur les toits) sur les températures et productivité du système. La consommation d'énergie de la culture est optimisée grâce au modèle. A la suite de cette optimisation, certaines perspectives sur l'intégration énergétique d'un tel système sont proposées. / Microalgae are more and more studied for their energy potential and various applications. However, the actual production processes (open and closed photobioreactor) use a lot of energy and aren't productive enough. This thesis presents a novel process of microalgae culture, with an airlift system coupled to a thin plate. The photobioreactor is experimentally characterized and modeled for many aspects. Hydrodynamics of the system is modeled to predict the fluid behavior in the system. Mass transfers are modeled using the two film model. The model allows knowing minimum carbon needs for microalgae culture. It also allows evaluating dissolved oxygen concentration in the photobioreactor and its elimination efficiency. Oxygen is inhibiting the culture at high concentration. Heat transfers are also modeled, allowing to know climate parameters impact (sunshine, ambient air temperature) on culture temperature. All models are assembled in a global model. This model is compared to microalgae culture experimental results. Finally, the global model is used to study a more complex system: culture thin plates are integrated on the walls of buildings. Global model allow studying different orientation effects on temperature and productivity of the system. Culture is optimized for energy consumption and some perspectives on energy integration of such a system are proposed.

La conception des procédés industriels doit s'adapter à la raréfaction des ressources naturelles à bas prix et au durcissement des réglementations visant à limiter leur impact environnemental. Ainsi, pour améliorer leur rentabilité économique et leur soutenabilité, leurs effluents doivent être considérés comme des ressources potentielles de matière et d'énergie qui peuvent être valorisées localement ou à un plus grande échelle en les partageant avec d'autres industries voisines en formant un écoparc industriel.Cette thèse présente une nouvelle approche systémique et systématique pour concevoir des réseaux de valorisation d'énergie et de matière optimisés simultanément. Trois modèles linéaires de complexité croissante ont été développés pour concevoir ces réseaux à l'échelle locale. Le premier modèle (M1) détermine la consommation minimale nécessaire de ressources fraîches. Le second modèle (M2) introduit une nouvelle superstructure permettant l'optimisation simultanée des besoins énergétiques et matière pour atteindre le minimum de coûts de fonctionnement. Le troisième modèle (M3) conçoit les réseaux optimaux d'allocation de matière et d'échangeurs de chaleur simultanément. Sa fonction objective est le coût total annualisé incluant les coûts d'investissement et de fonctionnement.L'utilisation des unités de régénération est rendu possible dans la structure des trois modèles précédents. Tous les types d'unités peuvent être représentés par un modèle simple avec des paramètres génériques utilisant des objets déjà définis dans la formulation du modèle M3.Finalement, l'application du modèle M3 est étendue à la conception d'écoparcs industriels grâce à de nouvelles notions (sites, clusters, réseaux intermédiaires de matière et de chaleur), obtenant ainsi un nouveau modèle M4. Ce modèle inclut dans sa fonction objective les coûts d'investissements des réseaux liés à leur topologie.Des cas d'études issus de la littérature sont utilisés pour valider la pertinence et les performances des modèles présentés. / The design of industrial processes needs to be adapted as cheap natural resources are scarcer and environmental standards are more stringent to limit their environmental footprints. In order to improve their cost-effectiveness as well as their sustainability, industrial effluents must considered as potential heat and mass resources whether they are recycled locally or at a larger scale by sharing them with other industrial companies; thus forming an eco-industrial park (EIP).This thesis presents a new systemic and systematic approach to design optimal mass allocation and heat exchanger networks simultaneously. Three linear models of incremental complexity have been developed to design optimal recovery networks at a local scale. The first linear model (M1) looks for the necessary minimum fresh resource consumption. The second linear model (M2) presents a new superstructure that allows optimizing mass and heat requirements simultaneously, targeting the minimum annual operating costs. The third linear model (M3) allows designing optimal mass allocation and heat exchanger networks simultaneously. Its objective function is the total annualized cost considering operating and capital costs.The opportunity to use regeneration units is added to the structure of the three previous models. Any type of these units can be represented by a simple model with the generic parameters based on objects already existing in the previous models formulations.Finally, a M3 model applicability is extended to the design of collaborative eco-industrial parks with additional concepts (sites, clusters, indirect heat and mass networks) to obtain a new M4 model. In this model, the capital costs related to the topology of the networks are taken into account in the objective function.The relevance and performances of the proposed models are validated with several case studies taken from the literature.

La pompe à chaleur industrielle très haute température (PAC THT) à compression mécanique de vapeur, fonctionnant à l'électricité, figure parmi l'une des technologies innovantes les plus efficaces permettant de valoriser les rejets thermiques industriels à basse et moyenne température (<90 °C). Néanmoins, compte tenu des besoins industriels actuels de chaleur, les niveaux de température cible atteignable par les PACs restent trop faibles et freinent fortement son implantation. Les procédés de séchage, dans leur grande majorité, rejettent des buées ou de la vapeur d'eau à moyenne température (50 °C-90 °C) et ont des besoins de chaleur à très haute température (110 °C-150 °C). Le grand écart de température entre la source et le besoin de chaleur ainsi que le niveau de température du besoin, font qu'aujourd'hui envisager l'intégration d'une PAC dans ce type de procédés relève d'un défi énergétique et technologique particulièrement intéressant, dont l'enjeu économique est considérable. Les présents travaux de recherche envisagent à l'aide d'une méthodologie générique d'optimisation de cycles thermodynamiques basée sur la minimisation de la production d'entropie dans les échangeurs de chaleur de déceler les architectures de PACs les plus efficaces d'un point de vue énergétique. L'analyse théorique a permis de déceler la haute efficacité énergétique des architectures transcritiques de PACs dans des conditions de grands glissements de température entre l'entrée et la sortie du besoin de chaleur. Le développement d'un démonstrateur de PAC transcritique très haute température fonctionnant au R32 (PAC T-THT R32) a permis d'une part de démontrer la faisabilité technique d'une PAC, pouvant atteindre la température cible de 120 °C en partant de 60 °C avec une source de chaleur disponible à 50 °C, et d'autres part de démontrer sa haute efficacité énergétique (COP = 4). / The mechanical vapour compression high temperature heat pump for industry using electricity is one of the most effective innovative technologies to recover the industrial waste heat at low and medium temperature (<90°C). However, given the current industrial heat needs, the heat pump target temperature levels remain too low and slow strongly its implantation. Overwhelmingly, the drying processes reject saturated moist air at middle temperature (50°C-90°C) and have heat needs at very high temperature (110°C-150°C). The large temperature difference between the source and the heat need and the level off temperature that is needed, today, makes the heat pump integration in such processes an interesting energy and technological challenge, whose economic stake is considerable. The present works tackle, with a generic methodology of thermodynamic optimisation cycles based on the entropy minimization in the heat exchangers, to identify the most efficiency heat pump architectures from an energy point of view. The theoretical analysis allowed to detect the transcritical heat pump architecture, in conditions of high temperature glides between the inlet and the outlet of the heat need. The development of a transcritical high temperature heat pump demonstrator using the R32 as working fluid allowed to demonstrate the technical feasibility of a heat pump that can reach the target temperature of 120°C from 60°C with an available heat source at 50°C, and to demonstrate its high energy efficiency (COP = 4).

La thèse présente un modèle d’optimisation mathématique ainsi qu’une méthodologie d’étude pour la conception optimale de réseaux de chaleur et de froid flexibles et intégrant des technologies innovantes (les smart réseaux ou réseaux 4e génération). Dans ce modèle, différentes contraintes énergétiques, économiques et environnementales sont alors considérées. Le modèle considère des réseaux de chaud (ou de froid) à différents niveaux de température, ainsi que différents sites de production et demande d’énergie. Le tracé du réseau ainsi que la configuration de l’ensemble des systèmes de production sont obtenus en minimisant soit l'exergie totale consommée soit le coût total pour l’investissement et l’opération des systèmes. Le modèle mathématique développé est formulé en un problème MINLP multi-période. Les contraintes du modèle sont présentées dans plusieurs modèles imbriqués. Le premier modèle M1 est multi-période et inclut les contraintes d’échanges avec le réseau et un moyen de stockage thermique. Le deuxième modèle, appelé M2, contient l’ensemble du modèle M1 ainsi que des nouvelles contraintes permettant de dimensionner des pompes à chaleur à COP variable. Le troisième modèle M3 inclut le modèle M2 ainsi que de nouvelles contraintes pour le tracé géographique des réseaux et la prise en compte des flux d’électricité. Une méthodologie d’étude est aussi présentée, permettant, à l’aide du modèle M3 développé, de traiter des cas d’étude complexes et réalistes. La méthodologie propose une décomposition du problème selon trois étapes consécutives. Cette méthodologie est alors utilisée et illustrée pour un cas d’étude complexe : l’optimisation d’un nouveau quartier, considérant des PAC, un stockage de chaleur saisonnier et de la production PV. / This thesis presents a mathematical optimization model and a methodology for the optimal design of district heating and cooling networks. The various constraints in energy balances, costs and environmental criteria can be considered in order to propose structures of flexible and innovative networks.The model allows the consideration of heating (or cooling) networks at different temperature levels, as well as different production sites and heat demands. The network’s layout as well as the optimal architecture of the heat production systems are achieved by minimizing either the total exergy consumed or the total cost for the investment and operation of the systems.The developed mathematical model is formulated into a multi-period MINLP problem. The constraints of the model are presented in nested models. The first model M1 considers the multi-period aspect and includes the constraints related to the heat exchanges between production/demand streams with the network and a thermal storage. The second model, called M2, contains the entire model M1 as well as new constraints for sizing heat pumps with variable COP. The model M3 includes the model M2 as well as new constraints for the geographical layout of the networks and the consideration of electricity balance in the problem.A methodology is also presented making it possible, using the model M3, to deal with complex and realistic case studies. The methodology proposes a decomposition of the problem following three consecutive steps. This methodology is then used for the optimization of a new district, considering heat pumps, seasonal heat storage and PV production.