Th. doct-ing.--École nat. sup. du pétrole et des moteurs, 1983.

Th. doct.-ing.--Génie chim.--Nancy--I.N.P.L., 1984.

Th. 3e cycle--Génie chim.--Toulouse--I.N.P., 1981. N°: 93.

Thèse doct.-ing.--Paris VI, 1982. / 1982 d'après la déclaration de dépôt légal. Bibliogr. p. 229.

Th. 3e cycle--Génie chim.--Toulouse--I.N.P., 1981. N°: 104.

Titre de l'écran-titre (visionné le 16 octobre 2023) / La technologie de chauffage et de refroidissement urbain est l'une des solutions prometteuses pour réduire la consommation d'énergie afin d'atténuer les effets des changements climatiques. La tendance du développement des systèmes de chauffage et de refroidissement urbains est d'abaisser la température d'alimentation. Ainsi, les réseaux thermiques seraient en mesure de réduire les déperditions de chaleur et d'augmenter sensiblement le nombre de sources de chaleur récupérables. Cependant, la baisse de la température de fonctionnement du quartier peut entraîner divers problèmes. Le premier problème concerne les quartiers avec des bâtiments anciens dont la température pour le chauffage peut être élevés (80°C) alors que la température du réseau de chauffage urbain de 4ème génération est d'environ 50°C (30-70°C pour la 4ème génération). Bien que l'abaissement de la température du réseau puisse augmenter l'efficacité des centrales d'approvisionnement et réduire la perte de chaleur à travers le réseau, les conséquences connexes telles que l'augmentation des frais d'exploitation et l'augmentation des émissions de GES causées par l'augmentation de la consommation d'électricité des pompes à chaleur distribuées devraient être considéré. Par conséquent, la température d'alimentation doit être optimisée. Pour cette raison, la première étape de ce projet s'est concentrée sur la température d'alimentation optimale pour un quartier avec une demande de chauffage à haute température. Ce projet propose un nouveau cadre d'optimisation multi-objectifs pour déterminer la température d'alimentation en temps réel pour le chauffage urbain à basse température avec des pompes à chaleur distribuées. Les résultats montrent que le cadre proposé peut effectivement réduire les coûts et les émissions, mais la viabilité du système dépend fortement du type de combustible (c.-à-d. copeaux de bois ou gaz naturel), du prix de l'électricité, du facteur d'émission de l'électricité, du poids relatif des coûts et des émissions dans la fonction objective. Dans l'étude de cas avec des coûts d'électricité et des émissions typiques pour le Québec (Canada), la température de fonctionnement moyenne pourrait être réduite à 42 et 66°C selon le type de chaudières dans le système. Alors que les émissions étaient toujours plus faibles qu'avec un réseau conventionnel, les coûts d'exploitation pouvaient être plus élevés (avec une chaudière à copeaux de bois) ou plus bas (avec une chaudière au gaz naturel). Ces travaux peuvent contribuer au déploiement de réseaux basse température performants. Le deuxième problème concerne les nouveaux quartiers avec une demande simultanée de chauffage et de refroidissement. Dans ce cas, quelle est la combinaison et la taille optimales des systèmes à basse température compte tenu des facteurs économiques? Le réseau de chauffage et de refroidissement urbains de cinquième génération (5GDHC en anglais) offre une solution efficace pour les quartiers ayant des demandes simultanées de chauffage et de refroidissement. Cependant, la recherche sur les systèmes de chauffage et de refroidissement urbains de 5ème génération en est à ses débuts. Ce deuxième volet proposait un nouveau système de chauffage et de refroidissement urbains de 5ème génération assistés par le solaire hybride photovoltaïque-thermique avec stockage géothermique. Une plateforme décisionnelle de conception et d'exploitation de ce nouveau système est proposée sur la base de l'optimisation. L'optimisation minimise le coût global du cycle de vie en tenant compte des investissements en capital et de remplacement dans l'équipement de district, ainsi que des frais d'exploitation grâce à une conception et une exploitation optimisée du 5GDHC. Une analyse de sensibilité globale est utilisée pour réduire les dimensions de l'optimisation, et les résultats indiquent qu'une optimisation de dimension réduite permet d'obtenir des résultats similaires à une optimisation de dimension complète tout en économisant du temps de calcul. Notre étude montre que même dans les régions où les prix de l'électricité sont bas, comme le Québec, les investissements en capital dans les pompes à chaleur, les forages géothermiques et les systèmes photovoltaïques/thermiques (PVT) peuvent être récupérés à la fin de la durée de vie du projet. L'électricité peut être économisée à plus de 50% pour le nouveau système. Sur la base de l'optimisation, le nouveau système est comparé à un système sans stockage géothermique et 5GDHC avec stockage géothermique mais sans systèmes solaires sur la base d'évaluations économiques du cycle de vie. L'investissement en capital des pompes à chaleur, des forages géothermiques et des systèmes photovoltaïques/thermiques (PVT) peut être remboursé à la fin de la durée de vie du projet. De plus, les systèmes géothermiques peuvent augmenter la récupération de la chaleur résiduelle et de l'énergie solaire. Le 5GDHC à assistance d'hybride photovoltaïque-thermique solaire avec stockage géothermique a surpassé les systèmes sans système solaire ou les systèmes sans stockage géothermique. Les réseaux 5GDHC modifient les interactions énergétiques entre les individus du quartier tout en permettant l'interaction énergétique entre les prosommateurs afin que l'ensemble du quartier puisse bénéficier de l'amélioration de l'efficacité énergétique. La coordination des interactions énergétiques dans un tel système est un problème complexe, généralement résolu par une optimisation centralisée. En plus des problèmes de confidentialité pour les prosommateurs, l'optimisation centralisée peut s'avérer trop difficile à résoudre pour les grands systèmes 5GDHC et ne peut pas établir une répartition des bénéfices entre les prosommateurs. Ceci introduit le troisième problème : pour les individus, comment le bénéfice tiré de l'ensemble du quartier est-il réparti entre les prosommateurs ? En d'autres termes, à quoi ressemble le marché de l'énergie pour ce nouveau système énergétique de quartier ? Ce volet développe un cadre communautaire de marché transactionnel de l'énergie basé sur l'optimisation distribuée de 5GDHC. L'optimisation est basée sur la méthode des multiplicateurs à direction alternée proximale de Jacobi. L'approche repose sur des interactions itératives entre le coordinateur de réseau et les prosommateurs, les premiers ajustant le prix interne de l'énergie thermique et les seconds adaptant leur demande de chauffage et de refroidissement. La méthode proposée a permis d'ajuster dynamiquement le prix interne de l'énergie thermique et la demande des prosommateurs tout en tenant compte de leur insatisfaction thermique. En facilitant le fonctionnement du 5GDHC, ce travail pourrait contribuer à leur mise en œuvre pratique dans le futur. En résumé, ce projet a atteint les trois sous-objectifs suivants : 1) Ce projet a proposé une méthode d'optimisation et d'abaissement de la température du réseau thermique pour un quartier demandant une température élevée pour le chauffage à l'aide de pompes à chaleur distribuées. 2) Ce projet a proposé une nouvelle plate-forme décisionnelle basée sur l'optimisation de la conception et de l'exploitation des nouveaux systèmes de chauffage et de refroidissement urbains hybrides photovoltaïques-thermiques de 5e génération à assistance solaire. 3) Un concept de marché de l'énergie pour ordonnancer la demande thermique des prosommateurs distribués pour le 5GDHC. / District heating and cooling technology is one of the most promising solutions for reducing energy consumption and thus fight climate change. The trend of developing district heating and cooling systems is to lower the supply temperature. As such, thermal networks would be able to abate heat losses and substantially increase the number of recoverable heat sources. However, lowering down the operational temperature of the district may case the several problems. The first problem is for district with old buildings whose temperature requirement for space heating may be high (75°C) while the temperature of the network of 4ᵗʰ generation district heating is around 50°C (30-65°C for 4th generation). Although lowering the temperature of network can increase the efficiency of the supply plants and reduce the heat loss through the network, the related consequence such as increasing operational fees, and increasing GHG emissions caused by the increasing electricity consumption of the distributed heat pumps should be considered. Therefore, the supply temperature should be optimized. Therefore, the first step of this project focused on the optimal supply temperature for district with high temperature heating demand. This project proposes a new multi-objective optimization framework to determine the real-time supply temperature for low-temperature district heating with booster heat pumps. Results show that the proposed framework can indeed reduce costs and emissions, but the viability of the system depends strongly on the fuel type (i.e., wood chips or natural gas), price of electricity, emission factor of electricity, relative weight of costs and emissions in the objective function. In the case-study with typical electricity costs and emissions for Quebec (Canada), the average operating temperature could be reduced to 42 and 66°C depending on the type of boilers in the system. While emissions were always smaller than with a conventional network, operating costs could be higher (with wood chip boiler) or lower (with natural gas boiler). This work can contribute to the deployment of efficient low temperature networks. The second problem is for new district with simultaneous heating and cooling demand. What is the optimal combination and size for the new district with low temperature when considering economic factors? The Fifth Generation District Heating and Cooling (5GDHC) network offers an efficient solution for districts with simultaneous heating and cooling demands. However, research of the 5ᵗʰ generation district heating and cooling systems is in its early stage. This project proposed a novel hybrid photovoltaic-thermal solar-assisted 5ᵗʰ generation district heating and cooling systems with geothermal storage. A decision-making platform for design and operation for this new system is proposed based on optimization. The optimization minimizes the overall lifecycle cost by considering capital and replacement investments in district equipment, and operational fees through optimized design and operation of 5GDHC. A global sensitivity analysis is used to reduce the dimension of optimization, and the results indicate that a reduced-dimension optimization can achieve similar results as a full-dimension optimization while saving computational time. Our study shows that even in regions with low electricity prices, such as Quebec, the capital investments in heat pumps, geothermal boreholes, and photovoltaic/thermal (PVT) systems can be recovered by the end of the project's lifetime. The electricity can be saved up to 50% for the new system. Based on the optimization, the new system is compared with hybrid photovoltaic-thermal solar-assisted 5ᵗʰ generation district heating and cooling system without geothermal storage and 5GDHC with geothermal storage but without solar systems based on economic life cycle assessments. The capital investment of the heat pumps, geothermal boreholes and photovoltaic/thermal (PVT) systems can be paid back at the end of the lifetime of the project. Additionally, geothermal systems can increase the recovery of the waste heat and solar energy. The hybrid photovoltaic-thermal solar-assisted 5GDHC with geothermal storage outperformed for systems without solar system or systems without geothermal storage. 5GDHC has changed the energy interactions between individuals in the district while allowing the energy interactions between prosumers so that the whole district can benefit from improved energy efficiency. Coordinating the energy interactions in such a system is a complex problem, typically solved through centralized optimization. In addition to privacy issues for prosumers, centralized optimization can prove too hard to solve for large 5GDHC systems and cannot establish a profit distribution between prosumers. This introduces the third problem: For individuals, how the benefit gained from optimizing the whole district be allocated between the prosumers? In other words, what is the energy market looks like for this new district energy system? This project develops a community-based transactive energy market framework based on distributed optimization of 5GDHC. The optimization is based on the Jacobi-proximal alternating direction method of multipliers. The approach relies on iterative interactions between the network coordinator and the prosumers, the former adjusting the internal price of thermal energy and the latter adapting their heating and cooling demand. The proposed method allowed to dynamically adjust the internal price of thermal energy and the prosumers' demand while considering their thermal dissatisfaction. By facilitating 5GDHC operation, this work could help their practical implementation in the future. To summarize, this project has achieved the following three sub-objectives: 1) This project proposed a method for optimizing and lowering the temperature of the thermal network for district with high temperature demand with help of distributed heat pumps. 2) This project proposed a new decision-making platform based on optimization for design and operation of the new hybrid photovoltaic-thermal solar-assisted 5ᵗʰ generation district heating and cooling systems. 3) A concept of energy market to schedule the thermal demand of distributed prosumers for 5GDHC.

Th. doct.-ing.--Génie chim.--Toulouse--I.N.P., 1983. N°: 259.

Pour la climatisation de bâtiments ou d’installations industrielles, les nappes d’eaux superficielles représentent une source de frigories très convoitée. Leurs exploitations intensives depuis plusieurs dizaines d’années conjuguées au redéploiement de la filière géothermique ces dernières années, soulèvent des préoccupations quant à la préservation des ressources en eau. Dans ce contexte, la présente étude vise à évaluer l’impact de variations locales de température sur la qualité physico-chimique et microbiologique des eaux souterraines sur la base (i) de suivis in-situ au niveau de 3 installations réelles exploitant les nappes d’eaux superficielles et, (ii) d’expérimentations sur un pilote (BIOTHERMEX) permettant de reproduire, en conditions parfaitement maitrisées, l’effet de la propagation d’un panache thermique dans un modèle réduit d’aquifère. Dans la gamme de température relevée sur site, les principaux résultats obtenus montrent que les impacts thermiques sont circonscrits au voisinage immédiat de l’installation, pouvant altérer jusqu’à plus d’une dizaine de degrés la sténothermie des nappes. Le suivi des paramètres physico-chimiques n’ont pas fait apparaitre de perturbations significatives sur la période de surveillance, constat étayé par des modélisations hydrogéochimiques. En revanche, une influence significative a été relevée au niveau des principaux descripteurs microbiologiques (activité, diversité de la microflore totale). Enfin, les expériences menées à l’échelle du laboratoire ont permis d’appréhender finement le comportement réactionnel du système et de définir une température de réinjection critique, au-delà de laquelle des désordres potentiels sont attendus. / The use of shallow groundwater as heat source for heat pump is very coveted for air-conditioning of building or industrial facilities. Their intensive use during many years combined with the redeployment of the geothermal industry these last years, raise concerns about the safeguarding of the water resources. In such a context, the present study aims to evaluate the impact of local variations of temperature on the physicochemical and microbiological quality of groundwater systems on the basis of (I) field investigation and, (II) experiments on a pilot (named BIOTHERMEX) making it possible to reproduce, in perfectly supervised conditions, the effect of the propagation of a thermal plume in a reduced aquifer model. Within the temperature recorded on site, principal outcomes showed that thermal impacts are confined in the immediate vicinity of the installation, and were able to deteriorate, up to about ten degrees, the stenothermy of the groundwater systems. The evolution of the physicochemical parameters did not reveal any significant disturbances over the monitoring period, this being also predicted by hydrogeochemical modeling. On the other hand, a significant influence was raised about some microbiological indicators-descriptors (namely activity, diversity of the total microflora). Lastly, the experiments undertaken on the laboratory scale made it possible to finely apprehend the reactional behavior of the system and to define a critical temperature of re-injection beyond which, potential disorders are expected.

Ce travail a été réalisé en collaboration avec EDF R&D, dans le cadre d’une convention CIFRE-ANRT, l’objectif étant d’améliorer le coefficient de performance de pompes à chaleur thermoélectriques (PACTEs) pour des "Bâtiments Basse Consommation". Les PACTEs présentent de nombreux avantages environnementaux, le désavantage étant leur faible performance. Ainsi l'objectif de ce travail a été d'examiner la possibilité d'améliorer, par nanostructuration les performances des semi-conducteurs utilisés dans les modules thermoélectriques des PACTEs. Nos travaux se sont concentrés sur les solutions solides à base de Sb2-xBixTe3, celles-ci étant, selon l’état-de-l’art, les plus performantes pour l’application visée. La nanostructuration a été réalisée par la technique de trempe sur roue (technique de refroidissement rapide de liquides) de matériaux synthétisés auparavant à l'état liquide dans des tubes en quartz. Les moyens de caractérisation (DRX, MEB, MET, METHR) ont permis de corréler les changements structurels avec la variation des propriétés thermiques et électriques (le pouvoir thermoélectrique, la résistivité électrique, l'effet de Hall, la conductivité thermique) mesurées sur de larges gammes de température (5-460 K). L'influence favorable de la nanostructuration par la diminution de conductivité thermique a été prouvée. Nous avons montré la forte dépendance des propriétés thermoélectriques des matériaux étudiés avec la concentration de défauts et la stœchiométrie. Le dopage avec du Te a été examiné comme une possibilité de contrôler le niveau de la concentration des porteurs de charge. L'idée de créer des niveaux d'impuretés résonantes par un dopage au Sn s’est montrée infructueuse, vraisemblablement en raison de la structure de bande complexe du composé ternaire. Néanmoins, des valeurs du facteur de mérite adimensionel ZT de près de 1,2 ont été obtenues pendant ce travail / This work results from the collaboration between IJL and EDF R&D performed under a CIFRE-ANRT convention, in order to improve the coefficient of performance of thermoelectric heat pumps (THPs). THPs attracted attention of EDF due to its numerous environmental advantages, but the main drawback remains its low performance. The objective of our work was thus to investigate the possibility to enhance the performance of the semiconductors used in the thermoelectric modules of the THPs, by nanostructuration. The research was concentrated on the Sb2-xBixTe3-based solid solutions, the most effective materials for the application sought. The nanostructuration was performed by applying the melt-spinning technique (rapid quenching from a melt on a water-cooled cupper wheel) to the material synthesised beforehand from liquid state in quartz tubes. The means of characterisation (XRD, SEM, TEM, HRTEM) gave the possibility to correlate the structural changes with the variation of the thermal and electrical properties (thermoelectric power, electrical resistivity, Hall effect, thermal conductivity) measured over a wide temperature range (5-460 K). The favourable influence of nanostructuration through the decreasing of thermal conductivity was proved. A high dependence of the thermoelectric efficiency of the studied materials on the concentration of defects and stoichiometry is shown. Doping with Te was investigated as a possibility to control the resulting level of the charge carrier concentration. The idea of creating resonant impurity levels by Sn-doping was shown to be non-conclusive presumably due to the complex band structure of the ternary compounds. Nevertheless, relatively high values of the dimensionless TE figure of merit, close to 1.2, were obtained during this work

L'optimisation des performances non nominales des pompes à chaleur réversibles contribue à la réduction des consommations énergétiques du secteur tertiaire. Une modélisation thermodynamique détaillée d'une pompe à chaleur destinée au secteur tertiaire (compresseur, condenseur, détendeur, évaporateur) en régime non nominal est réalisée. Le modèle de pompe à chaleur validé par expérimentation en laboratoire et in-situ est couplé à un modèle de calcul des besoins thermiques de bâtiment afin d'évaluer les performances saisonnières de la PAC et d'améliorer la conception en fonction de ce critère. Des voies d'optimisation des performances saisonnières sont évaluées suivant deux axes principaux : -Optimum du point de vue local : optimisation par rapport à une courbe de besoins donnée ; interviennent la régulation de puissance, la conception orientée mode chaud ou orientée mode froid. Ces simulations sont réalisées sur un bâtiment tertiaire de type neuf ou existant. Une étude de sensibilité des résultats au climat du lieu d'installation est également réalisée. -Optimum du point de vue industriel : par l'intégration de composants innovants à fort enjeu concurrentiel pour un bon positionnement vis-à-vis de l'étiquetage européen des systèmes de climatisation. Les améliorations de performance sont complétées par une étude technico-économique, basée sur la décomposition des coûts de la PAC selon ses principaux composants. On détermine finalement le temps de retour de la machine optimisée en fonction du type de bâtiment et du climat.