Cette thèse présente les trois approches : analytique, expérimentale et numérique développées pour étudier le comportement d'une hydrolienne à membrane ondulante. Cette technologie, portée par l'entreprise EEL Energy, est basée sur les déformations périodiques d'une structure flexible pré-contrainte. Des convertisseurs d'énergie, positionnés de part et d'autre du système, sont actionnés par le mouvement d'ondulation.Analytiquement, la membrane est représentée par un modèle linéaire de poutre à une dimension et l'écoulement par un fluide potentiel 3D. L'action du fluide sur la membrane est évaluée par la théorie des corps élancés. L'énergie est dissipée de façon continue sur la longueur de la membrane. Expérimentalement, un prototype à l'échelle 1/20ième a été développé, des micro-vérins permettent de simuler l'énergie produite. Les essais avec le prototype1/20ième ont permis de valider le concept d'hydrolienne à membrane ondulante et le mode de récupération d'énergie. Un modèle numérique 2D éléments finis a été mis au point. Chaque élément constitutif de la membrane y est reproduit, la dissipation d'énergie est réalisée par des éléments dissipatifs mais la loi d'amortissement est limitée à un amortissement linéaire en vitesse.La comparaison des résultats issus de ces trois modèles a permis de valider leur bonne capacité à reproduire le comportement de la membrane sans conversion d'énergie. La dissipation d'énergie appliquée avec le modèle analytique se distingue clairement des deux autres modèles de part sa localisation mais aussi par la loi d'amortissement utilisée. Les autres modèles sont cohérents entre eux et si on ne parvient pas à corréler les résultats de puissance dissipée, le comportement du système et la répartition de la puissance dissipée le long de la membrane sont semblables. Ces trois approches ont permis de mettre en avant les paramètres clés dont dépend le comportement de la membrane et l'étude paramétrique démontre la complémentarité et l'intérêt du développement conjoint des modèles dans un souci industriel d'optimisation du système. Le développement d'un prototype à l'échelle supérieure (1/6ème), devant faire le lien entre les essais en bassin et les essais en mer, a permis de travailler sur les effets d'échelle. Des différences de comportements sont observées entre ces deux prototypes mais elles sont dues en partie à des différences de conditions aux limites et en partie à des effets de confinements très importants. Pour évaluer la tenue sur le long terme du prototype, ses composants (composite, élastomère) ont été caractérisés précisément et des essais de vieillissement accéléré par température ainsi que des essais de fatigue ont été mis en place sur des échantillons de matière. / This manuscript presents three approaches : analytical, experimental and numerical, to study the behavior of a flexible membrane tidal energy convertor. This technology, developed by the EEL Energy company, is based on periodic deformations of a pre-stressed flexible structure. Energy convertors, located on each side of the device, are set into motion by the wave-like motion.In the analytical model, the membrane is represented by a linear beam model at one dimension and the flow by a 3 dimensions potential fluid. The fluid forces are evaluated by the elongated body theory. Energy is dissipated all over the length of the membrane. A 20th scale experimental prototype has been designed with micro-dampers to simulate the power take-off. Trials have allowed to validate the undulating membrane energy convertor concept. A numerical model has been developed. Each element of the device is represented and the energy dissipation is done by dampers element with a damping law linear to damper velocity.Comparison of the three approaches validates their ability to represent the membrane behavior without damping. The energy dissipation applied with the analytical model is clearly different from the two other models because of the location (where the energy is dissipated) and damping law. The two others show a similar behavior and the same order of power take off repartition but value of power take off are underestimated by the numerical model. These three approaches have allowed to put forward key-parameters on which depend the behavior of the membrane and the parametric study highlights the complementarity and the advantage of developing three approaches in parallel to answer industrial optimization problems.To make the link between trials in flume tank and sea trials, a 1/6th prototype has been built. To do so, the change of scale was studied. The behavior of both prototypes is compared and differences could be explained by differences of boundary conditions and confinement effects. To evaluated membrane long-term behavior at sea, a method of aging accelerated by temperature and fatigue tests have been carried out on prototype materials samples immerged in sea water.

A three dimensional computational model of a full scale axial flow tidal turbine has been used to investigate the effects of a range of realistic environmental conditions on turbine performance. The model, which is based on the Reynolds averaged Navier-Stokes equations, has been developed using the commercial flow solver ANSYS Fluent. A 1:30 scale tidal turbine is simulated in an open channel for comparison to existing experimental data. The rotor blades are directly resolved using a body-fitted, unstructured computational grid. Rotor motion is enabled through a sliding mesh interface between the rotor and the channel boundaries. Reasonably good agreement in thrust and power is observed. The computed performance curves are offset from the measured performance curves by a small increment in rotor speed. Subsequently, a full scale axial flow turbine is modelled in a variety of conditions representative of tidal channel flows. A parametric study is carried out to investigate the effects of flow shear, confinement and alignment on turbine performance, structural loading, and wake recovery. Mean power and thrust are found to be higher in sheared flow, relative to uniform flow of equivalent volumetric flow rate. Large fluctuations in blade thrust and torque occur in sheared flow as the blade passes through the high velocity freestream flow in the upper portion of the profile and the lower velocity flow near the channel bed. A stronger shear layer is formed around the upper portion of the wake in sheared flow, leading to enhanced wake mixing. Mean power and thrust are reduced when the turbine is simulated at a lower position in a sheared velocity profile. However, fluctuations in blade loading are increased due to the higher velocity gradient. The opposite effects are observed when the turbine operates at greater heights in sheared flow. Flow misalignment has a negative impact on mean rotor thrust and power, as well as on unsteady blade loading. Although the range of unsteady loading is not increased significantly, additional perturbations are introduced due to interactions between the blade and the nacelle. A deforming surface is introduced using the volume-of-fluid method. Linear wave theory is combined with the existing free surface model to develop an unsteady inflow boundary condition prescribing combined sheared flow and free surface waves. The relative effects of the sheared profile and wave-induced velocities on turbine loading are identified through frequency analysis. Rotor and blade load fluctuations are found to increase with wave height and wave length. In a separate study, the performance of bi-directional ducted tidal turbines is investigated through a parametric study of a range of duct profiles. A two dimensional axi-symmetric computational model is developed to compare the ducted geometries with an unducted device under consistent blockage conditions. The best-performing ducted device achieves a peak power coefficient of approximately 45% of that of the unducted device. Comparisons of streamtube area, velocity and pressure for the flow through the ducted device shows that the duct limits the pressure drop across the rotor and the mass flow through the rotor, resulting in lower device power.

La recherche développée dans cette thèse propose une méthodologie pour faciliter la recherche d'un site favorable à I'installation d'un parc d'énergie marine, ainsi qu'un ensemble de solutions techniques appropriées au site lui-même et aux contraintes économiques. Dans le but de simplifier les processus de décisions, une approche multicritère est proposée. La méthode développée intègre un système d'information géographique, une méthode d'analyse multicritère et un algorithme d'optimisation. Cette stratégie est appliquée dans le cadre d'un projet d'implantation d'un parc d'hydroliennes. Trois critères sont utilisés : I'acceptation sociale, l'énergie produite et le coût global du projet.Le premier critère à modéliser est I'acceptation sociale qui permet de discrétiser spatialement la zone d'étude. Cette modélisation vise une segmentation de I'espace maritime suivant son potentiel à réduire les conflits. L'agrégation des différentes contraintes spatiales est obtenue en utilisant la méthode Electre III. Des modèles de coût et de production énergétique ont été ensuite intégrés en prenant en compte la possibilité de combiner plusieurs technologies. Les sites d'installations proposés sont définis par I'intersection de la carte d'acceptabilité avec les cartes relatives aux contraintes géographiques intervenant dans I'estimation du coût de l'énergie produite. La technologie utilisée, les principaux paramètres de dimensionnement des machines et les caractéristiques géographiques des sites d'installation permettent l'évaluation des deux derniers critères. Pour chaque site d'implantation, les machines offrant le meilleur compromis coût/ énergie produite sont identifiées grâce à un algorithme génétique. La méthode d'analyse multicritères Electre III est également appliquée dans le processus de décision final incluant les trois critères. Un classement des différentes régions de I'espace maritime, auxquelles une machine optimisée est associée, est obtenu. Ce classement est adapté à la vision du problème des décideurs grâce aux possibilités de paramétrage des différents critères dans Electre. / The research developed in this thesis introduces a methodological approach whose objective is to facilitate the search of a favorable site for the installation of a marine energy converter park in the maritime domain. In order to efficiently install a marine energy farm in a suitable region, two main objectives are considered. The first one is to identify the best location for a given technology, and the second one aims is to find the optimal farm configuration and the most adequate technologies for a given region.The introduced methodology is based on a combination of Geographic Information Systems (GIS), multi-criteria analysis (MCA) and an optimization algorithm. Three main criteria are considered in the approach: the global cost of the project, quantity of energy produced and social acceptance. The social acceptance criterion is evaluated by the MCA. The MCA retained is Electre III. The research develops a combination of Electre and GIS analysis that takes into account the conflicting nature of the different spatial constraints. The geographical dimension is taken into account thanks to a grid-oriented structural representation in which each elementary region is ranked according to the potentialities and the conflicts that may arise. The approach is complemented by the application of a genetic algorithm whose objective is to select the technical options for each spatial subdivision in order to optimize the criteria of cost and produced energy by the converters. The last step of the methodology applies Electre again to provide a decision-aid support. The whole approach generates a potential classification of the different sub-regions of the maritime space considered, according to the different technologies considered, and this by summarizing the three main criteria. Overall the method provides a decision-aid system based on the flexibility offered by the Electre parameters that can be used by both engineers and decisionmakers when studying the potentiality offered by the development of marine energy converters.

L’installation des énergies marines renouvelables s’effectue dans le respect des législations environnementales françaises. La séquence Eviter-Réduire-Compenser (ERC) est ainsi appliquée pour aboutir à une non-perte nette de biodiversité. L’objectif de la thèse est de questionner l’efficacité de cette séquence, et plus particulièrement celle de la compensation écologique, en tant qu’instrument d’internalisation et de lutte contre l’érosion de la biodiversité marine. Une approche empirique qualitative a ainsi été mise en oeuvre pour (i) identifier les facteurs écologiques et sociétaux ainsi que leurs caractéristiques théoriques qui doivent permettre à la compensation d’atteindre l’objectif de non-perte nette de biodiversité ; et (ii) contrôler si ces conditions sont vérifiées en pratique dans le cas de l’éolien en mer en Europe et en France. L’analyse met en avant les enjeux juridiques, institutionnels, méthodologiques et sociétaux à relever pour permettre à la compensation écologique d’atteindre son objectif. Sur la base de ce constat, une évaluation multicritères est proposée afin de renforcer les étapes d’évitement et de réduction pour finalement mieux définir les besoins de compensation écologique en mer. L’analyse met par ailleurs en évidence un glissement d’une compensation basée sur une équivalence écologique stricte à une compensation fondée sur une équivalence écologique relâchée. Les actions de compensation tendent à être plus généralistes et/ou davantage dirigées vers les services écosystémiques que sur les composantes des écosystèmes. Associées aux mesures d’accompagnement, elles peuvent contribuer à faciliter l’acceptabilité sociale d’un projet d’aménagement. / The installation of marine renewable energies is carried out in compliance with French environmental legislation. The mitigation hierarchy is thus applied to achieve an objective of no net loss of biodiversity. This thesis aims at questioning the effectiveness of the mitigation hierarchy and more specifically biodiversity offsetting as an internalization instrument to halt the erosion of marine biodiversity. We use a qualitative empirical approach to (i) identify the ecological and societal factors as well as their theoretical characteristics that are supposed to enable the offsets achieving the objective of no net loss of biodiversity; and (ii) control whether these conditions are verified in practice for the case of offshore wind farms in Europe and France. The analysis highlights the legal, institutional, methodological and societal issues to be addressed in order to enable biodiversity offsetting to achieve the no net loss priority. On the basis of this observation, a multi-criteria assessment is carried out to reinforce the avoidance and reduction steps of the mitigation hierarchy in order to better define offsetting needs. Ultimately, the analysis shows a shift in biodiversity offsetting based on a strict ecological equivalence to a biodiversity offsetting based on a released ecological equivalence. Offsetting actions tend to be more generalist and / or more directed to ecosystem services than to ecosystem components. Associated with accompanying measures, offsetting actions can help to increase the social acceptability of a development project.

La compensation écologique, envisagée dans le respect de la séquence éviter-réduire-compenser les impacts, cherche à apporter des réponses à la crise actuelle d’érosion de la biodiversité. L’objectif de la thèse est de comprendre quels sont les enjeux organisationnels et institutionnels de la mise en œuvre du principe de compensation écologique pour les impacts sur les écosystèmes aquatiques marins et continentaux en Europe et aux Etats-Unis. La thèse mobilise le cadre théorique de l’économie néo-institutionnelle. Les organisations de type hiérarchique (compensation au cas par cas) ont pour principales limites d’avoir une efficacité écologique discutable et de ne pas permettre le suivi et le contrôle des mesures compensatoires ce qui conduit souvent à ce que la compensation ne soit pas ou peu mise en œuvre. Aux Etats-Unis, les banques de compensation consistent en une réponse anticipée et mutualisée aux dommages à l’environnement. Il s’agit d’une forme organisationnelle alternative hybride fortement régulée à mi-chemin entre la hiérarchie et le marché. Cependant, les acteurs ont des stratégies collectives et individuelles qui engendrent des négociations ayant des conséquences sur les enjeux de développement économique et de maintien des objectifs de conservation de la biodiversité. Le système des banques de compensation crée un double phénomène de redistribution des coûts de transaction et de diminution de ceux-ci mais il semble que l’évolution de l’ensemble du cadre d’application de la compensation écologique américain permet aujourd’hui une complémentarité institutionnelle entre ces deux formes organisationnelles plutôt qu’une disparition des formes hiérarchiques. / Biodiversity offset, as the last step of the mitigation hierarchy (avoid/reduce/offset), aims to address the current biodiversity loss crisis. The main goal of this PhD, which relies on the new institutional economics approach as a theoretical framework, is to understand the organizational and institutional issues of implementing biodiversity offsets policies for impacts on continental and offshore wetlands in Europe and the United-States. Hierarchical organizations (i.e. permittee responsible mitigation) often lead to little to no implementation of biodiversity offsets because the ecological effectiveness of case-by-case compensatory measures is unproven and the monitoring and control of numerous measures are difficult. In the United-States, the mitigation banking system aims to compensate for multiple small impacts on wetlands by carrying out restoration projects on fewer but larger wetland areas in order to reach the goal of no net loss of biodiversity. This hybrid organizational form is highly regulated and therefore stands halfway between hierarchical and market organizations. However, actors have individual and collective strategies that generate negotiations with consequences on economic development and biodiversity conservation stakes. The mitigation banking system leads to a decrease of transaction costs and a change of the actors bearing them. It seems that the evolution of the whole framework of biodiversity offsets policy implementation in the United-States leans toward an institutional complementarity between these two organizational forms rather than a disappearance of hierarchical organizations.

Intra-archipelago waterways, including tidal strait networks, present a complex set of barriers to, and conduits for sediment transport between marine basins. Tidal straits may also be the least well understood tide-dominated sedimentary environment. To address these issues, currents, sediment transport pathways, and seabed sedimentology & geomorphology were studied in the central Salish Sea (Gulf and San Juan Islands region) of British Columbia, Canada and Washington State, USA. A variety of data types were integrated: 3D & 2D tidal models, multibeam bathymetry & backscatter, seabed video, grab samples, cores and seismic reflection. This dissertation included the first regional sediment transport modelling study of the central Salish Sea. Lagrangian particle dispersal simulations were driven by 2D tidal hydrodynamics (~59-days). It was found that flood-tide dominance through narrow intra-archipelago connecting straits resulted in the transfer of sediment into the inland Strait of Georgia, an apparent sediment sink. The formative/maintenance processes at a variety of seabed landforms, including a banner bank with giant dunes, were explained with modelled tides and sediment transport. Deglacial history and modern lateral sedimentological and morphological transitions were also considered. Based on this modern environment, adjustments to the tidal strait facies model were identified. In addition, erosion and deposition patterns across the banner bank (dune complex) were monitored with 8-repeat multibeam sonar surveys (~10 years). With these data, spatially variable bathymetric change detection techniques were explored: A) a cell-by-cell probabilistic depth uncertainty-based threshold (t-test); and B) coherent clusters of change pixels identified with the local Moran's Ii spatial autocorrelation statistic. Uncertainty about volumetric change is a considerable challenge in seabed change research, compared to terrestrial studies. Consideration of volumetric change confidence intervals tempers interpretations and communicates metadata. Techniques A & B may both be used to restrict volumetric change calculations in area, to exclude low relative bathymetric change signal areas. / Graduate / 2018-12-07