This PhD thesis proposes a bottom-up approach that accurately addresses the operational flexibility embedded in each part of a multi-energy system (MES). Several models which cover the simulations from replicating domestic electrified demands to power system scheduling are proposed. More specifically, a domes-tic multi-energy consumption model is firstly developed to simulate one minute resolution energy profiles of individual dwellings with the installation of prospec-tive technologies (i.e., electric heat pumps (EHPs), electric vehicles (EVs)). After-wards, a fast linear programming (LP) unit commitment (UC) model is devel-oped with the consideration of characteristics of generators and a full set of ancil-lary services (i.e., frequency response and reserves). More importantly, the fre-quency response requirements in low inertia systems are assessed with the con-sideration of three grid frequency regulations (i.e., rate of change of frequency, Nadir and quasi-steady state). Furthermore, the UC model has integrated vari-ous flexibility contributors in MES to provide ancillary and flexibility services, which include pumped hydro storages (PHSs), interconnectors, batteries and demand side resources (i.e., individual EHPs, heat networks, electrolysers). More importantly, the fast frequency response (FFR) provision from nonsynchronous resources is implemented and the demand response application of electrolysers is taken as an example to provide FFR in the UC model. By using the integrated UC model with the consideration of flexibility services provided by resources in the MES, the advantages of multi-energy operation can be clearly identified which can be used to inform system operators and policy makers to design and operate energy systems in a more economic and environment-friendly way.

Avec le développement de la production décentralisée d'électricité à partir de sources renouvelables, il est fort probable que les micro-réseaux joueront un rôle central dans les réseaux du futur, non seulement pour réduire les émissions de gaz à effet de serre et maximiser l'utilisation d'énergie produite localement, mais également pour améliorer la résilience du système global. Du fait de l'intermittence et de l'incertitude sur la production renouvelable (par exemple, photovoltaïque ou éolien), des systèmes de stockage de l'énergie doivent être intégrés. Cependant, déterminer leur dimensionnement et comment les contrôler pose plusieurs défis, en particulier parce que le dimensionnement optimal dépend de la stratégie de gestion utilisée, ou encore lorsque différents types d'énergie sont utilisés. Cette thèse contribue à résoudre les problèmes de dimensionnement et de gestion de micro-réseaux électriques et multi-énergies (électricité, gaz, chaleur, froid et/ou hydrogène) intégrant du stockage. Tout d'abord, à l'aide des caractéristiques des différents composants, un modèle mathématique de micro-réseau est développé. Le problème de sa gestion est ensuite formulé comme un problème de programmation linéaire (MILP), utilisant une fonction objectif (minimiser le coût de fonctionnement) et différentes contraintes (puissance maximum, durée de démarrage/arrêt, limites d'état de charge, etc.). Ensuite, une structure permettant une co-optimisation est présentée pour résoudre le problème du dimensionnement à l'aide d'un algorithme génétique. Cette structure permet de explorer l'espace des valeurs de dimensionnement en fonction des résultats de la stratégie de gestion, ce qui permet de tendre vers le meilleur dimensionnement possible pour la stratégie sélectionnée. A l'aide de la méthode ci-dessus, quatre problèmes spécifiques sont étudiés. Le premier s'intéresse au dimensionnement d'un micro-réseau îloté entièrement électrique, combinant stockage par batteries et hydrogène-énergie pour du stockage à court et long terme, respectivement. Les résultats pour deux stratégies de gestion sont comparés : l'approche proposée (MILP) et une stratégie basée sur des règles. Une simulation à horizon glissant d'une heure sur un an est ensuite utilisée pour vérifier la validité du dimensionnement obtenu. Un second problème s'intéresse un à micro-réseau multi-énergies îloté avec différents types de charges. L'influence de trois facteurs sur les résultats du dimensionnement est en particulier étudiée : la stratégie de gestion, la précision des prévisions de consommation et de production renouvelable, ainsi que la dégradation des moyens de stockage. Une troisième partie de la thèse traite du dimensionnement d'un micro-réseau connecté aux réseaux de gaz, électricité et chaleur. La résilience du réseau est étudiée de façon à maximiser la résistance à une panne ou un défaut. La notion de centralité intermédiaire est utilisée pour déterminer le cas le plus défavorable pour une contingence et analyser son impact sur le dimensionnement. Deux systèmes de test de tailles différentes sont utilisés pour valider l'application de la méthode proposée et sa sensibilité à différents paramètres. / With the development of distributed, renewable energy sources, microgrids can be expected to play an important role in future power systems, not only to reduce emissions and maximize local energy use, but also to improve system resilience. Due to the intermittence and uncertainty of renewable sources (such as photovoltaics or wind turbines), energy storage systems should also be integrated. However, determining their size and how to operate them remains challenging, especially as the adopted control strategy impacts sizing results, and for systems considering multiple, interdependent forms of energy. This thesis therefore contributes to solving the sizing and operation problems of full-electric and multi-energy (electricity, gas, heat, cooling and/or hydrogen) microgrids integrating storage systems.First, based on the characteristics of different components, a mathematical model of a microgrid is built. Then, the operation problem is formulated as a mixed integer linear problem (MILP), based on an objective function (minimize the operation cost) and different constraints (maximum power, startup/shutdown times, state-of-charge limits, etc.). Next, a co-optimization structure is presented to solve the sizing problem using a genetic algorithm. This specific structure enables to search for sizing values based on the operation results, which enables determining the best sizing for the selected operation strategy.Using the above method, four specific problems are then studied. The first one focuses on sizing a full-electric islanded microgrid combining battery and hydrogen storage systems for short and long-term storage, respectively. Results for two types of operation strategies are compared: the MILP approach and a rule-based strategy. A one-hour one-year rolling horizon simulation is used to check the validity of the sizing results.Second, a multi-energy islanded microgrid with different types of loads is studied. Specifically, the influence of three factors on sizing results is analyzed: the operation strategy, the accuracy of load and renewable generation forecasts, and the degradation of energy storage systems.Third, the work focuses on a grid-connected microgrid attached to a gas, electricity and heat hybrid network. Specifically, the resilience of the network is considered in order to maximize resistance to contingency events. Betweenness centrality is used to find the worst case under contingency events and analyze their impact on sizing results. Two test systems of different sizes are used with the proposed method and a study of its sensitivity to various parameters is carried out.Fourth, a structure with multiple grid-connected multi-energy-supply microgrids is considered, and an algorithm for determining electricity prices is developed. This price is used for energy exchanges between microgrids and load service entities interacting with the utility. The proposed co-optimization method is deployed to search for the best price that maximizes benefits to all players. Simulations on a large system show that the obtained price returns better results than a basic time-of-use price and helps reduce the operation cost of the whole system. To reduce the computation time, a neural network is presented to estimate the operation of the whole system and enable obtaining results faster with a limited impact on performance. At last, a sizing algorithm for grid-connected multi-energy supply microgrids operating under different prices is presented.The obtained results on these different applications show the usefulness of the proposed method, which is a promising contribution toward the creation of advanced design tools for such microgrids.

Multi-energy systems offer an opportunity to leverage energy conversion processes and temporary energy storage mechanisms to reduce costs and emissions during operation of campuses, cities, and buildings. With increasing options for flexibility in demand-side resources it is possible to meet demand without sacrificing comfort and convenience of MES occupants. This Thesis develops a multi-period, linear optimization model of an MES with flexible buildings that captures nonlinearities in the efficiency of energy conversion processes. The flexible buildings are parametrized, in part, based on historical data from a college campus in Vermont, USA. The idea of the MES model is to investigate the role that flexibility plays in reducing costs and emissions for a small campus relative to that of a possible carbon tax. The operation of the MES is optimized to reduce costs based on representative seasons. Interestingly, it is found that when utilized optimally, flexible buildings allows for a more cost and energy effective method of not only meeting demand but also reducing carbon emissions in the process.

Die vorliegende Arbeit widmet sich der Erhöhung der Leistungsfähigkeit von speziellen röntgenographischen Verfahren. Röntgenstrahlung ist die Grundlage für eine Vielfalt von werkstoffwissenschaftlichen Untersuchungsmethoden. Zum einen ermöglicht sie die schnelle und zerstörungsfreie Überprüfung unterschiedlichster Bauteile auf makroskopische Defekte in verschiedenen Varianten der Röntgeninspektion. Auf viel kleinerer Skala erlauben es die Verfahren der Röntgenbeugung und -spektroskopie, Informationen über den kristallinen Aufbau der Werkstoffe zu gewinnen. Die Physikalische Werkstoffdiagnostik verfügt mittlerweile über eine große Bandbreite solcher Techniken. Ein kompendienhafter Gesamtüberblick der Methoden findet sich z. B. sehr praxisnah in [1]. So können Ein- bis Vielkristalle sowie amorphe Stoffe und Bauteile untersucht werden. Bezüglich der Genauigkeit, Geschwindigkeit, Kosten und Flexibilität eines Verfahrens muss ein Anwender aus dieser großen Methodenvielfalt die geeignete Methode für sein spezielles Ziel auswählen. Die Arbeit ist vordergründig auf die Verfahren der Kossel-Mikrobeugung, das Röntgen-Dreh-Schwenk-Verfahren (RDS), die Pseudo-Kossel-Technik, das neuartige Bremsstrahlinterferenzverfahren (BIV) und die Multi-Energie-Röntgeninspektion fokussiert. Eines der genauesten Verfahren zur Untersuchung von Einkristallen und grobkristallinen Vielkristallen ist die Kossel-Technik. Aus einer monochromatischen Strahlungsquelle, welche im Kristallgitter selbst liegt ('Gitterquelleninterferenz'), werden kegelschnittförmige Interferenzmuster auf einem Detektor abgebildet. Bei einer lateralen Auflösung von ca. einem Mikrometer sind daraus Präzisionsgitterkonstanten mit relativen Fehlern von bis zu 10−6 bestimmbar. Dies ermöglicht auch die Berechnung von Eigenspannungen mit hoher Genauigkeit. Das Kossel-Verfahren besitzt aber auch einige Nachteile, welche den Einsatz in der Praxis erschweren. So sind die Nutzkontraste insbesondere bei der Elektronenstrahlanregung sehr gering (Bremsstrahlung!), was die Erkennung der Reflexe schwierig macht. Aus diesem Grund befindet sich die (halb-) automatische Liniendetektion aktuell nur in der Anfangsphase, wodurch die Auswertung von Kossel-Aufnahmen arbeitsaufwendig und langsam ist. Bei den bisher entwickelten Ansätzen zur Berechnung von Gitterparametern und Eigenspannungen aus Kossel-Aufnahmen muss zudem der Abstand zwischen Probe und Detektor ausgemessen werden. Die dabei entstehenden Fehler stellen die entscheidende Grenze für die Genauigkeit des Verfahrens dar. Auf der Suche nach einer alternativen Herangehensweise wurden in der Arbeitsgruppe für Physikalische Werkstoffdiagnostik des IfWW der TUD die mathematischen Fokalkurven nach rund 60 Jahren der weltweiten Nichtbeachtung wiederentdeckt. Diese sollten es ermöglichen, den Zusammenhang zwischen der Gesamtheit der Beugungsreflexe und dem Kristall aus einer einzigen Aufnahme heraus herzustellen. In der vorliegende Arbeit soll zur Nutzung der Fokalkurven ein neuer Auswertungsansatz entwickelt werden. Die Anforderung an diese Herangehensweise ist es zudem, Gitterparameter, Orientierungen und Eigenspannungen mit hoher Genauigkeit sowie Präzision ermitteln zu können, auch wenn die Kontrastverhältnisse in den Aufnahmen niedrig sind. Neben der Kombination aus Werkstoffwissenschaft, Kristallographie und Geometrie ist daher auch eine geeignete Bildverarbeitung oder Reflexsuche nötig. Eng verwandt mit der Kossel-Technik ist das Röntgen-Dreh-Schwenk-Verfahren (RDS) [2]. Es entstehen ebenfalls kegelschnittförmige Reflexe auf dem Detektor, welche aufgrund der Röntgenanregung deutlich bessere Kontrastverhältnisse aufweisen. Neue Auswertungsmethoden für die Kossel-Technik sollten sich also direkt und ohne Anpassungen auf RDS übertragen lassen. Die zur Bestätigung notwendigen Tests sind auch ein Bestandteil dieser Arbeit. Große Ähnlichkeit zum Kossel-Verfahren besitzt die Pseudo-Kossel-Technik. Die Strahlungsquelle befindet sich hierbei aber nicht im Kristall, sondern über der Kristalloberfläche. Dadurch entstehen zusätzliche Einstellmöglichkeiten für den Anwender, was bspw. deutlich bessere Kontrastverhältnisse bei theoretisch vergleichbarer Genauigkeit im Vergleich zur Kossel-Technik bedeutet. Die entstehenden Reflexmuster bestehen aber zum größten Teil nicht aus Kegelschnitten und können durch diese höchstens angenähert werden. Eine weitere Facette dieser Arbeit ist es deshalb, zu überprüfen, ob bzw. wie gut eine Näherung mit dem zu entwickelnden Kossel-Auswertungsalgorithmus ist. Zudem soll eine Möglichkeit zur Simulation der Pseudo-Kossel-Linien geschaffen werden. Aus Sicht der Abbildungsgeometrie ist das Bremsstrahlinterferenzverfahren der Pseudo-Kossel-Technik ähnlich. Bei dieser Eigenentwicklung der Arbeitsgruppe für Physikalische Werkstoffdiagnostik des IfWW der TUD wird statt niederenergetischer charakteristischer Strahlung die deutlich energiereichere Bremsstrahlung zur Abbildung genutzt. In Transmission können dabei Volumeninformationen des Kristallgitters von massiven Proben und Bauteilen gewonnen werden. Durch eine Erweiterung dieser Methodik um eine dreidimensionale Komponente könnte das gesamte Probenvolumen untersucht werden. Zudem zeigten sich bei den bisher angefertigten Aufnahmen dieser Methode verschiedenartige Phänomene und ein komplexes Interferenzmuster. Deren Interpretation ist auch Gegenstand dieser Arbeit. Im Bremsstrahlinterferenzverfahren ist aufgrund der Transmissionsgeometrie auch der radiographische Schatten der Probe zu sehen. Dieser verändert sich bei Unterschiedlichen Beschleunigungsspannungen der Röntgenröhre, da die Schwächungskoeffizienten der aufgenommenen Werkstoffe abhängig von der Energie der einzelnen Röntgenquanten bzw. dem Röhrenspektrum sind. Bei der Multi-Energie-Röntgeninspektion wird dies ausgenutzt, um einerseits optimal belichtete Ergebnisbilder zu generieren, welche mit einer einzelnen Beschleunigungsspannung nicht möglich wären. Zum anderen erlaubt es diese Methode prinzipiell, unterschiedliche Werkstoffe voneinander zu unterscheiden, obwohl die sichtbaren Intensitäten auch von der Dicke bzw. Dichte des Materials abhängen. Vielfach werden tomographische Methoden mit energiedispersiven Detektoren kombiniert, um Multi-Energie-Aufnahmen aufzunehmen bzw. auszuwerten. Der in dieser Arbeit verfolgte Ansatz nutzt zunächst nur einfache Radiographien unterschiedlicher Beschleunigungsspannungen an einem Detektor ohne spektrale Auflösung, um durch geeignete Modellansätze die Unterschiede der Schwächung in verschiedenen Bildbereichen sichtbar zu machen. Es soll weiterhin überprüft werden, ob bzw. wie diese Schwächungsunterschiede als Werkstoffunterschied deutbar sind. Insgesamt ist das Ziel dieser Arbeit, eine neue abstandsmessungsfreie Auswertungsstrategie für Kossel-und RDS-Aufnahmen zu entwickeln und diese auf das Pseudo-Kossel-Verfahren zu übertragen bzw. ein entsprechend angepasstes Modell zu erarbeiten. Für das Bremsstrahlinterferenzverfahren soll ein Modell entstehen, welches die beobachteten Reflexmuster und Interferenzphänomene beschreibt und einen Rückschluss aus der Aufnahme auf den Beugungsort im Kristall ermöglicht. Zudem ist ein Ansatz der Multi-Energie-Diagnostik zu erarbeiten, welcher sowohl kontrastreiche Ergebnisbilder als auch die Unterscheidung verschiedener Werkstoffe mit geringem Unterschied im Schwächungskoeffizienten ermöglicht. Der Nachweis der Leistungsfähigkeit der verbesserten Methoden soll begleitend an aussagekräftigen Beispielen demonstriert werden.

Over recent years, political, technological, environmental and economic factors have combined to increase interest in distributed energy resources (DER), and flexibility in the power system. As a resource which is both distributed and flexible, flexible demand (FD) can be considered to be particularly of interest. However, due to many facets of its nature, understanding the available flexibility, and potential value of that flexibility, is difficult. Further, understanding the effects of FD exploitation on other multi-energy system actors, given the complex nature of modern liberalised energy systems, complicates the picture further. These factors form material obstructions to the assessment of FD, for example, for the construction of business cases. To address these gaps this thesis first assesses the nature and value of various applicable current and potential markets and charging/incentive regimes, before detailing a novel multi-energy domestic demand simulation model, capable of modelling, in detail, domestic FD resources. Subsequently, a multi-commodity stochastic energy/reserve optimisation model, capable of modelling various DERs and taking into account price signals related to various energy-related commodities and services (including user utility) is specified. The separation of price components for application at different aggregation levels, which is applied in the optimisation model, also informs the described value mapping methodology, which illustrates the impacts of any, particularly demand-side, intervention on the wider multi-energy system. The power of the above detailed contributions are demonstrated through various studies, which show the physical and economic impact of various demand side interventions and of greater market participation by FD resources.

La tomographie à rayons X est une technologie d’imagerie en trois dimensions. Elle se base sur la transmission de rayons X à travers l’objet d’étude. Elle est non destructive mais néanmoins irradiante. Cette technique de visualisation est utilisée principalement dans trois domaines : le diagnostic médical, le contrôle non destructif (détection de défauts dans des pièces industrielles de haute performance) et la sécurité (contrôles aéroportuaires des bagages). Les récentes avancées technologiques dans le domaine des détecteurs spectrométriques de rayons X ouvrent des perspectives d’amélioration de cette technique d’imagerie dans ses divers domaines d’application. Nous avons développé une nouvelle méthode reconstruction statistique appelée MLTR-ONE-STEP qui permet de reconstruire la variabilité énergétique du coefficient linéaire d’atténuation de l’objet étudié. Cette approche est dite « one-step » car elle reconstruit directement le volume final à partir des mesures brutes issues de détecteurs spectrométriques.Les phénomènes physiques au sein du détecteur provoquent une distorsion énergétique du spectre d’atténuation qui a été prise en compte lors de la reconstruction. La méthode utilisée s’inscrit dans le cadre bayésien et maximise la log-vraisemblance du modèle tout en prenant en compte de l’a priori spatial sur le volume reconstruit. L’objectif de la méthode est l’amélioration de la qualité de l’image finale (réduction des artefacts et niveau de bruit) et la quantification des matériaux présents. Nous avons étudié dans le cadre de données simulées l’influence des paramètres de régularisation sur la reconstruction. En pratique, le détecteur de rayon X étudié classe les photons incidents en 64 canaux. Ils sont ensuite regroupés en un nombre de canaux plus faible (2 à 25) et l’influence de ce regroupement a été étudiée. La reconstruction MLTR-ONE-STEP a ensuite été testée sur des données expérimentales regroupées en 12 canaux. / X-ray spectral tomography is a 3D visualization technique. It is based on the transmission of X-rays through object matter. It is a non-destructive technology but which irradiates the studied object/patient. X-ray tomography is mainly used in three areas: medical diagnosis, non-destructive testing (detection of defects in industry devices) and airport security (luggage screening). New technological breakthroughs in X-ray photon-counting detectors provide new perspective for improving this technique in each application field. We have developed a new reconstruction method named MLTR-ONE-STEP which enables the obtention of energetic variability of the scanned object linear attenuation coefficient. This approach belongs to the “One-Step” class because it directly reconstructs the final images from raw photon-counting detector data.Physical effects inside the detector are causing spectral distortion of the energetic spectrum. This distortion is taken into account in our reconstruction through a Detector Response Matrix. The developed reconstruction method maximizes the poissonian likelihood of the measurements with a spatial regularization Tukey term. The objectives of spectral tomography are the improvement of the image quality compared to standard tomography and the quantification of materials inside the object. We have studied the influence of regularization parameters on the final result. In practice, photon-counting detector measurements are in practice sorted in 64 energy bins. Bins are then merged in a smaller number (from 2 to 25). The influence of this binning was studied on simulated data. The MLTR-ONE-STEP was then tested on real experimental data in order to prove the feasibility of such a “One-Step” reconstruction method.

Le développement des détecteurs de rayons X en comptage à base de semiconducteurs est en plein essor depuis une dizaine d’années, et des applications aussi bien dans le domaine médical que dans le domaine du contrôle non destructif sont envisagées. Ces détecteurs permettent en effet de réaliser des mesures à des énergies multiples en une seule acquisition, et ce avec une excellente séparation énergétique. Depuis les années 2008-2009, il semble qu’une véritable course se soit lancée pour le développement de détecteur permettant des mesures multi-énergies sur un nombre toujours plus nombreux de bandes d’énergies. Cependant, à ce jour, parmi l’ensemble des travaux qui ont été réalisés, l’intérêt de réaliser des mesures sur un grand nombre d’énergies n’a pas été démontré pour l’identification de matériaux. Dans le cadre d’une étude en sécurité, nous avons évalué l’intérêt lié à l’utilisation de détecteurs de rayons X en comptage permettant la réalisation de mesures sur plusieurs bandes d’énergies. Le domaine applicatif étudié concerne l’identification de matériaux dans les bagages des voyageurs. Nous avons tout d’abord développé une méthode originale d’identification de matériaux homogènes applicable à tout type de détecteur multi-énergies. Dans un premier temps, nous avons étudié, en simulation, l’évolution des performances d’identification de matériaux avec l’augmentation du nombre de bandes d’énergies de comptage. Un processus d’optimisation a été réalisé dans le but de déterminer, pour certaines configurations, une géométrie optimale des bandes d’énergies de comptage. Dans un second temps, les conséquences résultant de la prise en compte de la fonction de réponse du détecteur ont été quantifiées par la simulation de différents effets détecteurs (partage de charge, résolution en énergie). Une validation expérimentale a enfin pu être effectuée en utilisant un détecteur spectrométrique en comptage. À partir des mesures réalisées avec un tel détecteur, un regroupement des données nous a permis d’évaluer les performances d’identification de détecteurs possédant un nombre de bandes d’énergies de comptage différent. Enfin, nous avons mené une étude préliminaire sur la transposition à la tomographie multi-énergies de la méthode d’identification de matériaux homogènes développée initialement en radiographie. Cette modalité d’imagerie permet alors l’identification de matériaux superposés. / The development of X-ray photon counting detectors based on semiconductors has grown up over the last ten years, and applications in medicine, in security and in nondestructive testing are under study. These detectors make it possible to perform measurements at multiple energies in a single acquisition, with an excellent energetic separation. Since the years 2008-2009, it seems that a real race started for the development of detectors performing multi-energetic measurements on an increasing number of energy bands. However, today, within the works already done, the interest of performing measurements on a large number of energies has not been demonstrated for material identification. As part of a study in homeland security, we assessed the interest of using Xray counting detectors that perform measurements on multiple energy bands. The considered field of interest is material identification in the luggage of travelers. We first developed an original method for identifying single materials. This method is applicable to any type of multi-energy detector. In a first time, we studied in simulation the evolution of the performance for identifying materials with the increasing number of energy bands. An optimization process was carried out to determine, for certain configurations, an optimal geometry of the energy bands.In a second step, the consequences of taking into account the detector response function were quantified by simulating different sensors effects (charge sharing, energy resolution). An experimental validation has been performed by using a counting spectrometric detector. From the measurements experimentally obtained with such a detector, combining the data allowed us to evaluate the identification performance that would have detectors possessing a different number of energy bands. Finally, we conducted a preliminary study on the transposition of the identification method initially developed for radiography to the multi-energy computed tomography. This imaging modality allows to identify superimposed materials.

La tomographie par rayons X multi-énergétiques (MECT) permet d'obtenir plus d'information concernant la structure interne de l'objet par rapport au scanner CT classique. Un de ses intérêts dans l’imagerie médicale est d'obtenir les images de fractions d’eau et d’os. Dans l'état de l'art, les intérêts de MECT n'est pas encore découvert largement. Les approches de reconstruction existantes sont très limitées dans leurs performances. L'objectif principal de ce travail est de proposer des approches de reconstruction de haute qualité qui pourront être utilisés dans la MECT afin d’améliorer la qualité d’imagerie.Ce travail propose deux approches de reconstruction bayésiennes. La première est adaptée au système avec un détecteur discriminant en énergie. Dans cette approche, nous considérons que les polychromaticités de faisceaux sont négligeables. En utilisant le modèle linéaire de la variance et la méthode d'estimation maximum à postériori (MAP), l'approche que nous avons proposé permets de prendre en compte les différents niveaux de bruit présentés sur les mesures multi-énergétiques. Les résultats des simulations montrent que, dans l'imagerie médicale, les mesures biénergies sont suffisantes pour obtenir les fractions de l'eau et de l'os en utilisant l'approche proposée. Des mesures à la troisième énergie est nécessaire uniquement lorsque l'objet contient des matériaux lourdes. Par exemple, l’acier et l'iode. La deuxième approche est proposée pour les systèmes où les mesures multi-énergétiques sont obtenues avec des faisceaux polychromatiques. C'est effectivement la plupart des cas dans l'état actuel du practice. Cette approche est basée sur un modèle direct non-linéaire et un modèle bruit gaussien où la variance est inconnue. En utilisant l’inférence bayésienne, les fractions de matériaux de base et de la variance d'observation pourraient être estimées à l'aide de l'estimateur conjoint de MAP. Sous réserve à un modèle a priori Dirac attribué à la variance, le problème d'estimation conjointe est transformé en un problème d'optimisation avec une fonction du coût non-quadratique. Pour le résoudre, l'utilisation d'un algorithme de gradient conjugué non-linéaire avec le pas de descente quasi-optimale est proposée.La performance de l'approche proposée est analysée avec des données simulées et expérimentales. Les résultats montrent que l'approche proposée est robuste au bruit et aux matériaux. Par rapport aux approches existantes, l'approche proposée présente des avantages sur la qualité de reconstruction. / Multi-Energy Computed Tomography (MECT) makes it possible to get multiple fractions of basis materials without segmentation. In medical application, one is the soft-tissue equivalent water fraction and the other is the hard-matter equivalent bone fraction. Practical MECT measurements are usually obtained with polychromatic X-ray beams. Existing reconstruction approaches based on linear forward models without counting the beam polychromaticity fail to estimate the correct decomposition fractions and result in Beam-Hardening Artifacts (BHA). The existing BHA correction approaches either need to refer to calibration measurements or suffer from the noise amplification caused by the negative-log pre-processing and the water and bone separation problem. To overcome these problems, statistical DECT reconstruction approaches based on non-linear forward models counting the beam polychromaticity show great potential for giving accurate fraction images.This work proposes a full-spectral Bayesian reconstruction approach which allows the reconstruction of high quality fraction images from ordinary polychromatic measurements. This approach is based on a Gaussian noise model with unknown variance assigned directly to the projections without taking negative-log. Referring to Bayesian inferences, the decomposition fractions and observation variance are estimated by using the joint Maximum A Posteriori (MAP) estimation method. Subject to an adaptive prior model assigned to the variance, the joint estimation problem is then simplified into a single estimation problem. It transforms the joint MAP estimation problem into a minimization problem with a non-quadratic cost function. To solve it, the use of a monotone Conjugate Gradient (CG) algorithm with suboptimal descent steps is proposed.The performances of the proposed approach are analyzed with both simulated and experimental data. The results show that the proposed Bayesian approach is robust to noise and materials. It is also necessary to have the accurate spectrum information about the source-detector system. When dealing with experimental data, the spectrum can be predicted by a Monte Carlo simulator. For a variety of materials, less than 5% estimation errors are observed on their average decomposition fractions.The proposed approach is a statistical reconstruction approach based on a non-linear forward model counting the full beam polychromaticity and applied directly to the projections without taking negative-log. Compared to the approaches based on linear forward models and the BHA correction approaches, it has advantages in noise robustness and reconstruction accuracy.

Au cours de la dernière décennie, nous avons pu assister à l’expérimentation de plusieurs nouvelles filières pour contribuer aux objectifs nationaux de décarbonation du système énergétique français : biométhane, méthane de synthèse produit par du Power-to-Gas, hydrogène, Capture et Séquestration du Carbone (CSC)… Dans quels contextes ces filières pourraient-elles se développer ? Quelles seraient le cas échéant leurs perspectives de compétition/coopération ?Ce travail de thèse évalue le positionnement de ces nouvelles filières technologiques au sein des systèmes gaz et électrique. Il propose une estimation technico-économique des choix de long terme à l’horizon 2050 dans le cadre d’un paradigme d’optimalité. L’analyse de l’équilibre offre-demande pluriannuel est complétée par celle des dynamiques de production à une échelle intra-journalière et des enjeux de flexibilité associés.Pour ce faire, le modèle TIMES-FR-GAZEL développé dans cette thèse décrit le couplage des systèmes gaz et électrique à travers une représentation explicite des chaînes technologiques. Il permet une optimisation conjointe des deux systèmes sous contraintes environnementales.A l’aide de ce modèle, le positionnement des nouvelles filières gazières et électriques en France est étudié en prenant en compte les trajectoires pour parvenir à l’horizon 2050. Les analyses sont réalisées sur la base de scénarios de demande finale qui intègrent des jeux d’hypothèses contrastés concernant la disponibilité des technologies, les stratégies de décarbonation et la demande. / Over the past decade, several new technological pathways have been experimented with a view to reaching national decarbonization targets in France. These include biomethane, synthetic methane from Power-to-Gas, hydrogen, and Carbon Capture and Sequestration (CCS). The potential contributions of these technologies could make it more difficult for stakeholders and public authorities to choose the appropriate solution. In what contexts could these technologies be developed and what are their potential competition/cooperation perspectives?This research analyzes the role of these new technological pathways within the French gas and electricity systems. We propose a long-term, techno-economic assessment of the options at a 2050 horizon applying an optimal paradigm. We analyze the systems balance over several years while addressing the issue of intraday flexibility constraints.To this end, the bottom-up TIMES-FR-GAZEL model has been developed in order to study joint gas and electricity systems optimization with explicit representation of technologies (biomethane production, Power-to-Gas, CCS, etc.).This model allows us to embed trajectory constraints to reach the 2050 horizon. Assessments are conducted based on final energy demand scenarios with contrasted hypotheses on technology availability, decarbonization strategies and energy demand.

Cette thèse porte principalement sur la coordination des systèmes distribués, avec une attention particulière pour les systèmes de production d'électricité multi-énergiques. Aux fins de l'optimalité, ainsi que l'application des contraintes, la commande prédictive (MPC-Model Predictive Control) est choisi comme l'outil sous-jacent, tandis que les éoliennes, piles à combustible, panneaux photovoltaïques et les centrales hydroélectriques sont considérés comme les sources d'énergie a être contrôlées et coordonnées. En premier lieu, une application de la commande MPC dans un microréseau électrique est proposée, illustrant comment assurer une performance appropriée pour chaque unité de génération et de soutien. Dans ce contexte, une attention particulière est accordée à la production de puissance maximale par une éolienne, en prenant une commande basée sur un observateur quand la mesure de la vitesse du vent est disponible. Ensuite, les principes de contrôle distribué coordonnés, en considérant une formulation à base de la commande MPC, sont pris en considération pour le contexte des systèmes à grande taille. Ici, une nouvelle approche pour la coordination par prix avec des contraintes est proposée pour la gestion des contrôleurs MPC locaux, chacun d'eux étant typiquement associé à une unité de génération. En outre, le calcule des espace invariants a été utilisé pour l'analyse de la performance pour le système à boucle fermée, à la fois pour les schémas MPC centralisée et coordination par prix. Finalement, deux cas d'études dans le contexte des systèmes de génération d'électricité sont inclus, en illustrant la pertinence de la stratégie de commande coordonnée proposée. / This thesis is mainly about coordination of distributed systems, with a special attention to multi-energy electric power generation ones. For purposes of optimality, as well as constraint enforcement, Model Predictive Control (MPC) is chosen as the underlying tool, while wind turbines, fuel cells, photovoltaic panels, and hydroelectric plants are mostly considered as power sources to be controlled and coordinated. In the first place, an application of MPC to a micro-grid system is proposed, illustrating how to ensure appropriate performance for each generator and support units. In this context, a special attention is paid to the maximum power production by a wind turbine, via an original observer-based control when no wind speed measurement is available. Then, the principles of distributed-coordinated control, when considering an MPC-based formulation, are considered for the context of larger scale systems. Here, a new approach for price-driven coordination with constraints is proposed for the management of local MPC controllers, each of them being associated to one power generation unit typically. In addition, the computation of invariant sets is used for the performance analysis of the closed- loop control system, for both centralized MPC and price-driven coordination schemes. Finally, a couple of case studies in the field of power generation systems is included, illustrating the relevance of the proposed coordination control strategy.