Ce travail de thèse présente l'optimisation d'une technologie de valorisation énergétique qui utilise des résidus agricoles pour la production d'énergies renouvelables, tout en réduisant les émissions mondiales de méthane et en garantissant la sécurité alimentaire. Des digesteurs anaérobies à l'échelle laboratoire, pilote et industrielle ont été évalués afin d'améliorer la production de méthane à partir de la digestion anaérobie de la paille de riz non traitée dans des conditions sèches en utilisant une approche nouvelle de co-digestion. Une installation de production biogaz à l'échelle d'une ferme chargée de paille de riz et d'eaux usées produites par une porcherie génère 295 MWh dans un cycle de digestion 422 jours. La période d'acclimatation relativement longue (environ 200 jours) et le faible rendement en biogaz (181 LCH4/kg MVS) pourraient être améliorées en ajoutant des boues anaérobies issues d'un procédé de traitement d'effluents de l'industrie papetière. Au laboratoire, l'ajout de la boue conduit à un rendement de méthane spécifique de 335 LCH4/kgMVS dans les 92 jours. L'hydrolyse de la paille a été accélérée, et des conditions stables ont été observées en termes de pH, d'alcalinité et de nutriments. Des améliorations similaires ont été démontrés dans des digesteurs à l'échelle pilote (1 m3) - un rendement de méthane spécifique de 231 LCH4/kgMVS a été obtenu dans un cycle de digestion à 93 jours avec de la boue comparativement à 189 jours sans la boue. Un mélange insuffisant dans le système à l'échelle pilote a causé des rendements de production de méthane inférieurs à ceux obtenus dans les digesteurs l'échelle du laboratoire. Si les conditions mésophiles et de mélange suffisantes sont maintenues dans le système à l'échelle industrielle, la co-digestion de la paille de riz avec des eaux usées produites par une porcherie et des boues issues d'un procédé de traitement d'effluent de l'industrie papetière (rapport poids humide de 1:1.25:0.5) a le potentiel de réduire le temps de rétention à trois mois (contre 422 jours) et d'augmenter les rendements de production de méthane à plus de 300 LCH4/kgMVS / The research describes an optimized waste-to-energy technology that utilizes agricultural residues for renewable energy, while reducing global methane emissions and maintaining food security. Laboratory-, pilot- and farm-scale anaerobic batch digesters were evaluated to enhance methane production from the anaerobic digestion of untreated rice straw in dry conditions using a novel co-digestion approach. An existing farm-scale biogas plant loaded with rice straw and piggery wastewater produced 295 MWh in a 422-day digestion cycle. The long acclimation period (approximately 200 days) and low biogas yield (181 LCH4/kgVS) could be enhanced by adding anaerobic sludge from the pulp and paper mill treatment process. In a laboratory setting, the addition of the sludge resulted in a specific methane yield of 335 LCH4/kgVS within 92 days. Hydrolysis of the straw was accelerated, and stable conditions were observed in terms of pH, alkalinity and nutrients. Similar improvements were demonstrated in pilot-scale digesters (1 m3) – a specific methane yield of 231 LCH4/kgVS was achieved in a 93-day digestion cycle with the sludge compared to 189 days without the sludge. Insufficient mixing within the pilot-scale system caused lower overall methane yields than those obtained in the laboratory-scale digesters. If sufficient mixing and mesophilic conditions are maintained within the farm-scale system, the co-digestion of rice straw with pig wastewater and paper mill sludge (wet weight ratio of 1:1.25:0.5) has the potential to reduce the retention time to three months (versus 422 days) and increase methane yields to over 300 LCH4/kgVS

La collecte de données par des réseaux de capteurs autonomes mobiles peut être couplée à l’utilisation de drones qui constituent une solution de backahauling facilement déployable à faible coût. Ces moyens de collecte peuvent servir lors de l’organisation d’évènements temporaires (sportifs ou culturels) ou encore pour mener des opérations dans des terrains difficiles d’accès ou hostiles. L’objectif de cette thèse est de proposer des solutions efficaces pour la communication à la fois entre capteurs mobiles au sol et sur la liaison bord-sol. A ces fins, nous nous intéressons à l’ordonnancement des communications, au routage et au contrôle de l’accès sur la liaison capteurs/drone, le collecteur mobile. Nous proposons une architecture répondant aux contraintes du réseau. Les principales sont l’intermittence des liens et donc le manque de connexité pour lesquelles des solutions adaptées aux réseaux tolérants aux délais sont adoptées. Vu la limitation des opportunités de communication avec le drone et la variation importante du débit physique, nous avons proposés des solutions d’ordonnancement qui tiennent compte à la fois des durées de contact que du débit physique. Le routage opportuniste est également fondé sur ces deux critères à la fois pour la sélection des nœuds relais que pour la gestion des files d’attente. Nous avons souhaité limiter l’overhead et proposer des solutions efficaces et équitables entre capteurs mobiles au sol. Les solutions proposées ont montré leur supériorité par rapport aux solutions d’ordonnancement et de routage classiques. Nous avons enfin, proposé une méthode d’accès combinant un accès aléatoire avec contention ainsi qu’un accès avec réservation tenant compte des critères précédemment cités. Cette solution flexible permet à un réseau de capteurs mobiles denses de se rapprocher des performances obtenues dans un mode oracle. Les solutions proposées peuvent être mises en œuvre et appliquées dans différents contextes applicatifs pour lesquels les nœuds au sol sont mobiles ou aisément adaptées au cas où les nœuds sont statiques. / Data collection by autonomous mobile sensor arrays can be coupled with the use of drones which provide a low-cost, easily deployable backhauling solution. These means of collection can be used to organize temporary events (sporting or cultural) or to carry out operations in difficult or hostile terrain. The aim of this thesis is to propose effective solutions for communication between both mobile sensors on the ground and on the edge-to-ground link. For this purpose, we are interested in scheduling communications, routing and access control on the sensor / drone link, the mobile collector. We propose an architecture that meets the constraints of the network. The main ones are the intermittence of the links and therefore the lack of connectivity for which solutions adapted to the networks tolerant to the deadlines are adopted. Given the limited opportunities for communication with the drone and the significant variation in the physical data rate, we proposed scheduling solutions that take account of both the contact time and the physical flow rate. Opportunistic routing is also based on these two criteria both for the selection of relay nodes and for the management of queues. We wanted to limit the overhead and propose efficient and fair solutions between mobile sensors on the ground. The proposed solutions have proved superior to conventional scheduling and routing solutions. Finally, we proposed a method of access combining a random access with contention as well as an access with reservation taking into account the aforementioned criteria. This flexible solution allows a network of dense mobile sensors to get closer to the performance obtained in an oracle mode. The proposed solutions can be implemented and applied in different application contexts for which the ground nodes are mobile or easily adapted to the case where the nodes are static.

Par la révolution du Cloud Computing et des Smartphones, une quantité énorme de données devrait traverser le réseau chaque seconde où la plupart de ces données sont fournies par des mobiles utilisant des services Internet. La croissance rapide de la bande passante et des demandes de QoS rend les réseaux mobiles du 4ème G insuffisants. Le système de prochaine génération doit avoir un taux de sommation de 100Mbps à 1Gbps par terminal utilisateur (UT), avec une densité de connexion supérieure à 1M connexion / Km2, la mobilité des véhicules à grande vitesse jusqu'à 500 km / h et une fin à la fin (E2E) retardent moins de 10 ms. Un candidat prometteur qui peut répondre à ces demandes est le système sans fil à multiples sorties multiples (MIMO) Multi-Cell Multi-Cell. Cependant, la capacité Massive MIMO est délimitée par l'Inter-cell Interference (ICI) en raison de la réutilisation du pilote et, par conséquent, de la contamination du pilote. Dans cette thèse, nous étudions la contamination du pilote de liaison montante dans le système de formation à la division temporelle (TDD) des réseaux sans fil MIMO massifs. En supposant un canal de décoloration, l'intervalle de cohérence sera temporairement limité, où l'estimation du canal, la réception des symboles et le précodage des symboles doivent être effectués dans le même intervalle. Cela dit, la longueur du pilote de formation est limitée. De même, le nombre de terminaux de l'utilisateur (UT) par zone d'interférence est également limité. Inspiré par la variation de la taille de l'intervalle de cohérence parmi les UT, cette recherche présente deux nouvelles contributions indépendantes pour faire face à la contamination pilote de liaison montante dans le MIMO massif. La première contribution répertorie la région de couverture de la cellule de base (BS) dans une carte d'information d'état de chaîne (CSI). Cette carte est créée et mise à jour à l'aide d'un algorithme spécial d'apprentissage machine, et elle est exploitée pour prédire UT CSI au lieu d'estimer ses canaux. Compte tenu de cela, la formation des pilotes aériens et de liaison montante est considérablement réduite. La deuxième contribution classe les UT en fonction de la taille de leur intervalle de cohérence de canal. En outre, nous appliquons une technique de changement de pilote pour déplacer des pilotes similaires vers différentes positions temporelles (qui sont considérées comme vides en raison de trames TDD pilotes vides). Les résultats de la simulation montrent une augmentation à l'échelle de la performance du MIMO massif, en particulier dans la performance de l'efficacité énergétique et spectrale, UT par cellule et taux d'addition. En particulier, la troisième contribution évolue le MIMO massif multi-cellulaire à une performance de cellule unique et même surmonté un simple énorme conventionnel dans l'efficacité énergétique et UT par cellule. / By the revolution of Cloud Computing and Smartphones, an enormous amount of data should traverse the network every second where most of this data are delivered by mobiles using internet services. The fast growth in bandwidth and QoS demands makes the 4th G mobile networks insufficient. The next generation system must afford a sum rate from 100Mbps up to 1Gbps per User Terminal (UT), with a connection density that exceeds 1M connection/Km2, the mobility of high-speed vehicles up to 500 km/hr and an End to End (E2E) delay less than 10ms. A promising candidate that can offer those demands is the Multi-User Multi-Cell Massive Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) wireless system. However, Massive MIMO capacity is upper bounded by the Inter-cell Interference (ICI) due to pilot reuse and thus, pilot contamination. In this thesis, we investigate the uplink pilot contamination in Time Division Duplexing (TDD) training scheme of massive MIMO wireless networks. Assuming block-fading channel, the coherence interval will lag for a limited duration, where channel estimation, symbol reception, and symbol precoding must be done within the same interval. Having said that, the training pilot length is limited. Likewise, the number of User Terminal’s (UT’s) per interference region is also limited. Inspired by the variation of coherence interval size among UT’s, this research introduces two independent novel contributions to deal with uplink pilot contamination in massive MIMO. The first contribution maps the Base Station (BS) cell coverage region into a Channel State Information (CSI) Map. This map is created and updated using a special machine-learning algorithm, and it is exploited to predict UT CSI instead of estimating their channels. In view of this, training overhead and uplink pilots are reduced significantly. The second contribution classifies UT’s based on the size of their channel coherence interval. Furthermore, we apply a pilot shifting technique to shift similar pilots to different time position (that considered empty due to empty pilot TDD frames). Simulation results show a scaled increase in the performance of massive MIMO especially in the performance of energy and spectral efficiency, UT per cell and sum-rate. In particular, the third contribution evolves multi-cell massive MIMO to a single cell performance and even overcome single conventional huge in the energy efficiency and UT per cell.

Résumé confidentiel / Résumé confidentiel

La méthanisation est la bioconversion de la matière organique en digestat et en biogaz. La méthanation biologique consiste à faire réagir de l'H2 avec du CO2 en digesteur anaérobie pour augmenter le taux de CH4 dans le biogaz. Cette thèse vise la valorisation des fumées de cokeries contenant du CO2 et de l’H2 par injection dans un méthaniseur. L'objectif de cette thèse est d'étudier la faisabilité de l'injection des gaz de cokeries dans un méthaniseur et de quantifier la variation du taux de CH4. Pour cela, un réacteur de 100 L a été conçu. Des études préalables en réacteur de 2 L ont été menées expérimentalement et par simulation numérique des écoulements pour définir un mode d’agitation adapté. Il a été montré que l'agitation par un double-ruban hélicoïdal permettait d'accroitre la vitesse de production du biogaz de 50 % en comparaison avec un système d’agitation classique. La perméation membranaire à travers un tube en silicone a été utilisée pour l’injection du gaz dans le digestat. A l’aide du pilote conçu, fonctionnant pendant 152 jours, une expérimentation d’hydrogénation en continu a été réalisée avant l’injection simultanée d’H2 et de CO2. L'injection d'hydrogène pur a augmenté le taux de CH4 de 57,5 à 68,2 % et abaissé celui du CO2 de 42,3 à 31,5 %. L'hydrogène injecté est entièrement consommé, ce qui a validé le choix de la perméation membranaire comme système d’apport de gaz en milieu visqueux et qui a montré que la quantité d'H2 injectée était limitante. L'injection supplémentaire de CO2 en proportions des gaz de cokeries s'est traduite par une augmentation du débit global de biogaz de 5,0 à 5,6 L/h, composé d’environ 35 % en CO2 et 65 % en CH4 / Anaerobic digestion is the bioconversion of organic matter into digestate and biogas. Biological methanation consists in the reaction between H2 and CO2 in anaerobic digester to increase the level of CH4 in the biogas. This thesis aims at recovering the fumes from coking plants containing CO2 and H2 by injection into an anaerobic digester. The objective of this thesis is to study the feasibility of injecting coke oven gases into an anaerobic digester and to quantify the variations of the CH4 content. To this end, a 100 L reactor has been designed. Previous studies in 2 L reactor were performed experimentally and by computational fluid dynamics to define a suitable design of stirrer. It has been shown that stirring by a double helical ribbon increases the biogas production rate by 50 % in comparison with a conventional stirring system. Membrane permeation through a silicone tube was used to inject the gas into the digestate. 152 days experiment was performed in this pilot with a continuous hydrogenation step prior to the simultaneous injection of H2 and CO2. Injection of pure hydrogen increased the CH4 level from 57.5 % to 68.2 % and decreased that of CO2 from 42.3 to 31.5 %. The injected hydrogen is entirely consumed. This result validated the choice of membrane permeation as a gas supply system in viscous medium but showed that the amount of H2 injected was limiting. The additional injection of CO2 in proportions of coke oven gases resulted in an increase in the overall biogas flow rate from 5.0 to 5.6 L h-1, composed of about 35 % CO2 and 65 % CH4

L’inventaire aérien est une approche pratique pour effectuer l’inventaire de la grande faune sur de grands territoires; particulièrement pour les zones peu accessibles. Toutefois, les limitations liées aux capacités de détection des observateurs, la coloration cryptique de certaines espèces fauniques et la complexité structurelle de certains habitats font en sorte que les inventaires ont généralement des biais qui sous-estiment la densité réelle de la population. Par ailleurs, peu d’études ont démontré la capacité d’effectuer la détection aérienne simultanée de plusieurs espèces. La détection multiespèce peut s’avérer utile pour les espèces qui se côtoient spatialement afin de connaître leur utilisation de l’espace, pour étudier la relation proie/prédateur et pour limiter les coûts à un seul inventaire. Cette pratique s’avère néanmoins trop exigeante pour les observateurs qui doivent déjà faire preuve de beaucoup de concentration pour détecter une seule espèce lors d’un inventaire aérien traditionnel. L’utilisation d’imagerie aérienne multispectrale acquise avec un aéronef sans pilote (ASP) représente une méthode potentielle pour la détection d’une ou plusieurs espèces fauniques. Ce projet de recherche consistait donc dans un premier temps à détecter, identifier et dénombrer à l’aide d’imagerie acquise avec un ASP et par traitements d’images les cerfs de Virginie (Odocoileus virginianus). Différentes combinaisons de bandes spectrales, méthodes d’analyses d’images et résolutions spatiales ont été testées pour déterminer la méthode la plus efficace pour la détection du cerf. Dans un deuxième temps, la meilleure méthode identifiée pour les cerfs a été utilisée et adaptée pour effectuer la détection simultanée des bisons d’Amérique (Bison bison), des daims européens (Dama dama), des loups gris (Canis lupus) et des wapitis (Cervus canadensis). L’inventaire de la faune a été réalisé au Centre d’observation de la faune et d’interprétation de l’agriculture de Falardeau à Saint-David-de-Falardeau, Québec, Canada. Les résultats démontrent que l’imagerie visible et infrarouge thermique avec une résolution spatiale de 0.8 cm/pixel combinée à une analyse d’images par objet constitue la combinaison la plus efficace parmi celles testées pour la détection des cerfs de Virginie. Tous les individus visibles à l’œil nu sur les mosaïques ont été détectés. Néanmoins, considérant l’obstruction visuelle causée par la canopée coniférienne, cette approche offre un taux de détectabilité moyen de 0.5, comparable aux inventaires aériens classiques. La complexité structurelle de l’habitat demeure ainsi un problème non résolu. Quant à l’analyse multiespèce, les bisons et les wapitis ont tous été détectés même en présence d’autres espèces comme l’autruche (Struthio camelus), le coyote (Canis latrans) et l’ours noir (Ursus americanus). Pour les daims et les loups, entre 0 à 1 individu par parcelle a été confondu avec les autres éléments du paysage tels que le sol. De plus, entre 0 à 2 individus par parcelle n’ont pas été détectés alors qu’ils étaient présents dans la ligne de vol. Non seulement cette approche a démontré sa capacité à détecter une ou plusieurs espèces, mais également son adaptabilité à cibler spécifiquement les espèces d’intérêts pour le gestionnaire et à ignorer celles qui ne sont pas ciblées. Ce projet a donc permis de valider le potentiel des ASP pour l’acquisition d’imagerie d’une qualité permettant l’extraction de données d’inventaires. Cela ouvre la voie à l’utilisation de ce type de plateforme d’acquisition pour des applications reliées à la gestion de la faune grâce à leur faible impact sonore et leur haut taux de revisite. Toutefois, la réglementation canadienne actuelle limite l’utilisation de ces appareils sur de faibles superficies. Il n’en demeure pas moins que la technologie peut être développée en attendant les futurs progrès du domaine des ASP et de la réglementation.

Les hydrates de gaz sont une façon non conventionnelle de piéger et de stocker des molécules de gaz par cristallisation d'eau à haute pression et à basse température. Les sels d'ammonium quaternaire forment des semiclathrates hydrates à pression atmosphérique et des hydrates mixtes en présence de gaz. Il est important de connaître leurs propriétés thermodynamiques, afin d'évaluer leurs applications potentielles : une des ces-ci est la capture du dioxyde de carbone à partir des gaz de combustion. Dans nos expériences, les semiclathrates ont été fabriqués à partir de sels de peralkylammonium (TBAB, TBACl, TBAF), et de bromure de tétra-butylphosphonium (TBPB) en combinaison avec plusieurs gaz : CO2, N2, CH4. La pression de formation a été fortement réduite par rapport aux hydrates de gaz respectifs.Afin de déterminer les coefficients d'activité des hydrates en présence de sels, un modèle eNRTL a été conçue. Des systèmes comportant un sel ou deux sels ont été modélisés en présence d'hydrate de CH4 et sont en accord avec la littérature. Un système en présence de TBAB et de CH4 a été également étudié : la modélisation diffère des données expérimentales de la littérature, probablement en raison d'une structure différente. Cependant, les résultats sont prometteurs, et le modèle donne une bonne prédiction. Sur la base des résultats expérimentaux, un procédé à l'échelle pilote a été conçu. Ce nouveau procédé consiste à former des hydrates mixtes de TBAB et de CO2 dans une colonne à bulles. Les hydrates sont ensuite retirés de la colonne et après dépressurisation, les hydrates mixtes se transforment en hydrates de TBAB, libérant du CO2, qui est renvoyé à la colonne à bulles.

Lors d’une tâche de pointage manuel, la présence de corrections rapides, adaptées, automatiques et même réflexes (Franklin et Wolpert, 2008) suite à une perturbation par saut de curseur a pu être observée dans de nombreuses études. Ici, nous avons souhaité déterminer si ces corrections étaient purement réflexes où si elles étaient amorcées seulement lorsque la perturbation mettait en péril l’atteinte de la cible ; ces corrections ont-elles aussi un aspect fonctionnel ? Dans une première expérience nous avons fait varier la taille des cibles (5 ou 30 mm de diamètre) et des sauts du curseur (5, 15 ou 25 mm) de manière à obtenir certaines combinaisons où la cible pourrait être atteinte sans qu’aucune correction du mouvement pour contrecarrer l’effet du saut du curseur ne soit nécessaire. Des corrections réduisant l’erreur d’environ 65% ont été observées dans toutes les conditions. Dans une seconde expérience, les participants devaient atteindre une très grande cible (arc de 30°) et un saut de curseur de 15 mm était introduit pour certains essais peu de temps après l’amorce du mouvement. Les participants ont modifié leur mouvement dans le sens opposé à celui de la perturbation, et cela même s’ils n’avaient pas détecté consciemment le saut. Cependant, ces corrections étaient moins rapides et plus petites (42% de l’amplitude du saut de curseur) que celles observées lors de la première expérience. Nos résultats supportent le fait que l’amorce des corrections pour des erreurs de trajectoire induites expérimentalement soit de nature réflexe. Un deuxième processus serait alors responsable du déroulement de ces corrections ; ce deuxième processus est basé, entre autres, sur les caractéristiques de la cible. / Cursor-jump experiments have suggested the existence of quick, efficient, automatic and even reflexive (Franklin and Wolpert, 2008) online correction processes in manual aiming movements. In the present study, we wanted to determine whether corrections for a cursor jump are purely automatic/reflexive or whether they are functional in that they occur only when they are required for the target to be reached. In a first experiment, we used different target sizes (5 mm to 30 mm) and cursor-jump amplitudes (5 mm to 25 mm) so that for some target size/cursor-jump combinations, no correction would be needed to reach the target. In all cases, we observed a correction for the cursor-jump. This correction reduced the error induced by the cursor jump by 60-70%, regardless of target size. In a second experiment, we asked participants to point at a large wedge (30° of circular arc). For some trials, a cursor-jump translated the location of the cursor laterally by 15 mm soon after movement initiation. Participants never consciously detected the cursor-jump but clearly modified the trajectory of their movement in the direction opposite to that of the cursor-jump. These corrections were smaller than those observed in the first experiment (42% of the cursor-jump). Our results indicate that the initiation of a correction for a cursor-jump is more reflexive than it is functional. A second correction process would tailor the movement's initial impulse based on the target characteristics.

Les énergies renouvelables représentent aujourd'hui un domaine de développement de plus en plus important, au vu de la consommation énergétique mondiale et de ses conséquences désastreuses sur l'environnement. Les différents accords politiques, notamment l'accord de Paris, ne peuvent à eux seuls apporter une solution définitive au changement climatique actuel. Les contraintes imposées par la réduction des émissions de CO_2 et l’augmentation du prix du pétrole dans l’industrie maritime ont poussé Yves Parlier à lancer le projet « beyond the sea » dans le but de développer des cerfs-volants (kites) dédiés à la propulsion auxiliaire des navires. L'objectif principal de cette étude est donc la modélisation et la commande robuste d'une aile de kite en vol dynamique. Le but à terme étant l'élaboration d'un pilote automatique dédié à la traction d'un navire par kite. Un modèle « point-masse » du kite est proposé afin de comprendre et contrôler sa dynamique. Les différents paramètres du modèle sont estimés à partir de données expérimentales obtenues lors d’essais en conditions réelles. Des simulations en boucle ouverte sont proposées afin de valider la cohérence du modèle. Pour effectuer un vol dynamique, une trajectoire en forme de huit est définie dans la fenêtre de vol. La position, la taille et l’orientation de cette trajectoire sont des paramètres ajustables par l’utilisateur. Un algorithme de suivi de trajectoire est développé permettant ensuite de synthétiser une loi de commande robuste intégrant le modèle du kite. Ce pilote automatique permet donc d’effectuer une grande variété de trajectoires pour toute une gamme de vitesses de vent. Enfin, des simulations en boucle fermée montrant les performances théoriques du système mettent en évidence l’intérêt de la propulsion auxiliaire des navires par kite. / The need in reducing the CO_2 emissions and the increase of oil prices affect all transportation industries and especially the maritime industry. This has led to the search for more energy-saving ship propulsion systems. Taking advantage of wind energy by using tethered wings, or kites, as an alternative propulsion source can be an effective solution. The "beyond the sea" project, led by Yves Parlier, aims to provide ships an alternative green energy source. In most wind conditions, compared to a static flight, a dynamic motion of a tethered wing with an eight-shaped pattern can provide sufficient force through traction to tow a ship. Therefore, the main objective of this study is the modeling and robust control of a tethered kite in dynamic flight. To this end, a point mass model is first used to describe the kite dynamics. The model parameters are estimated from experimental data and the aerodynamic coefficients are identified using data from a quasi-static flight. Open loop simulations are conducted to verify the kite behavior and the overall coherence of the model. To ensure a dynamic flight, an eight-shaped trajectory is defined within the wind window. Its position, size, orientation and direction are all adjustable parameters. A path-following strategy is then developed in order to design a robust control law including the kite model. This allows the system to be used in different trajectories with a wide range of wind speeds. Closed-loop simulations are presented to show the efficiency of the path-following algorithm, and the various theoretical performances obtained shows the efficiency of a kite dedicated to vessels auxiliary propulsion.

Les travaux de cette thèse ont pour but de développer un prototype d’éco-pilote, nommé EcoNav, permettant d’optimiser la vitesse d’un bateau afin de réduire sa consommation de carburant. EcoNav est composé de plusieurs modules dont : un modèle hydraulique 2D simulant l’écoulement hydrodynamique (vitesse du courant et hauteur d’eau) le long du trajet du bateau; - un modèle de résistance à l’avancement servant à alimenter un modèle de prédiction de la consommation de carburant; - un algorithme d’optimisation permettant de trouver le profil optimal de vitesse. Afin de pouvoir estimer la consommation de carburant, un modèle numérique de la résistance à l’avancement en milieu confiné a été développé durant la première partie de cette thèse. Ce modèle numérique 3D simule l’écoulement du fluide autour du bateau et permet de calculer les forces agissant sur sa coque. La résolution des équations RANS est couplée avec un algorithme de quasi-Newton afin de trouver la position d’équilibre du bateau et calculer son enfoncement. Cette méthode est validée en comparant les résultats numériques avec des résultats expérimentaux issus d’essais en bassin de traction. L’influence de l’enfoncement sur la résistance à l’avancement et la précision de la méthode est étudiée en comparant les résultats numériques obtenus avec et sans enfoncement. La précision des modèles empiriques de prédiction de la résistance à l’avancement est également comparée à celle du modèle numérique. Enfin, le modèle numérique est utilisé afin de déterminer si le confinement en largeur ou en profondeur ont une influence identique sur l’augmentation de résistance à l’avancement. Les résultats de cette étude permettent d’établir si le confinement de la voie d’eau peut être caractérisé à l’aide d’un paramètre unique (coefficient de blocage par exemple) ou bien deux paramètres permettant de distinguer le confinement latéral et vertical. Dans la seconde partie de cette thèse, les méthodes numériques utilisées pour le modèle d’éco-pilote sont décrites et comparées afin de sélectionner celles qui sont le plus adaptées à chaque module. EcoNav est ensuite utilisé afin de modéliser un cas réel : celui du bateau automoteur Oural navigant sur la Seine entre Chatou et Poses (153 km). La consommation optimisée est comparée à la consommation non optimisée, calculée à partir des vitesses AIS observées sur le tronçon étudié. L’influence de la trajectoire du bateau et de son temps de parcours sur sa consommation sont également étudiés. Les résultats de ces investigations ont montré qu’optimiser la vitesse du bateau permet d’obtenir une réduction de la consommation de carburant de l’ordre de 8 % et qu’optimiser la trajectoire du bateau ainsi que prendre en compte des informations en temps réel (disponibilité des écluses, trafic sur le fleuve) peuvent permettre de réaliser des économies de carburant supplémentaires. / An eco-driving prototype, named EcoNav, is developed with the aim of optimizing a vessel speed in order to reduce fuel consumption for a given itinerary. EcoNav is organized in several modules : - a 2D hydraulic model simulating the flow conditions (current speed and water depth) along the itinerary; - a ship resistance model calculating the thrust necessary to counteract the hydrodynamic forces ; - a fuel consumption model calculating the fuel consumption corresponding to the thrust input; - a non linear optimization algorithm calculating the optimal speed profile. In order to evaluate the fuel consumption of an inland vessel, a ship resistance numerical model is developed in the first part of this PhD. This 3D numerical model simulates the flow around an inland self-propelled vessel and evaluates the hydrodynamic forces acting on the hull. A RANS solver is coupled with a quasi-Newton approach to find the equilibrium position and calculate ship sinkage. This method is validated by comparing the results of numerical simulations to towing tank tests. The numerical results with and without sinkage are also compared to study the influence of sinkage on ship resistance and on the accuracy of the method. Additionally, some empirical models are investigated and compared with the accuracy of the numerical method. Finally, the numerical model is used to determine if channel with and water depth restriction contribute to the same amount of ship resistance increase for the same level of restriction. The results of that investigation give insight to whether channel restriction can be characterized by a unique parameter (for instance the blockage ratio) or two parameters to distinguish water depth and channel with effects. In the second part of this PhD, the numerical methods used in the speed optimization model are described and validated. The speed optimization model is then used to simulate a real case: the itinerary of the self-propelled ship Oural on river Seine, between Chatou and Poses (153 km). The optimized fuel consumption is compared with the non-optimized fuel consumption, based on AIS speed profile retrieved on this itinerary. The effects of the ship trajectory and travel duration on fuel consumption are also investigated. The results of those investigations showed that optimizing the ship speed lead to an average fuel saving of 8 % and that using an optimal track and including real time information such as lock availability and river traffic can lead to additional fuel savings.