« Thèse en cotutelle, Université Laval et Université catholique de Louvain » / Dans le cadre de la transformation des systèmes électriques induite par le passage en cours aux énergies renouvelables, il est crucial de trouver des moyens efficaces pour équilibrer l'offre et la demande d'électricité. Le stockage d'énergie joue un rôle clé pour relever ce défi et, parmi les technologies établies, le stockage d'énergie par pompage-turbinage se distingue comme étant le plus mature et le plus répandu. Cependant, il existe encore un potentiel inexploité et une marge d'amélioration significative dans ce domaine, grâce à l'exploration de nouveaux sites et à l'adoption de technologies innovantes qui améliorent encore la flexibilité de ce type de stockage. Dans ce contexte, cette thèse de doctorat examine les aspects technico-économiques du pompage-turbinage, en se concentrant sur des systèmes à plus petite échelle, pouvant fonctionner à vitesse de rotation variable. En examinant les aspects économiques et les considérations technologiques de ces systèmes, la présente recherche apporte un éclairage précieux sur les solutions de stockage de l'énergie dans le paysage dynamique de la transition énergétique. Tout d'abord, la valeur historique du stockage d'électricité est évaluée sur les marchés de l'énergie dans les pays de l'UE-28, la Norvège, la Suisse et la Turquie. Des analyses de sensibilité sont effectuées, mettant en avant l'impact du rendement de cycle et de la capacité de stockage. Les résultats révèlent des variations significatives de la valeur d'arbitrage du stockage, à la fois géographiquement et temporellement, le rendement de cycle ayant un impact majeur sur la valeur d'arbitrage et la capacité de stockage ayant une valeur marginale très faible au-delà de 4 à 6 heures. En outre, l'impact des frais de réseau variables sur la valeur d'arbitrage est étudié, dans le cas spécifique de la Belgique. Les résultats de valorisation montrent que les frais de réseau peuvent diminuer la valeur d'arbitrage du stockage de 20% à 50% et qu'ils peuvent également réduire considérablement la participation du stockage dans les marchés de l'énergie. Deuxièmement, les systèmes de pompage-turbinage sont présentés, ainsi que les phénomènes de cavitation qui se produisent dans la machine hydraulique mise en œuvre dans ces systèmes. Cette spécificité des systèmes de pompage-turbinage joue un rôle crucial dans la définition des plages de fonctionnement limitées associées à cette technologie, tout en expliquant les avantages d'un fonctionnement à vitesse de rotation variable. Alors que les systèmes de pompage-turbinage sont historiquement opérés à vitesse de rotation fixe, les progrès récents en électronique de puissance ont ouvert la voie à un fonctionnement à vitesse variable. Aussi bien dans les nouvelles installations que dans les projets de mise à niveau de centrales de pompage-trubinage existantes, il est désormais envisagé de faire fonctionner une ou plusieurs unités à vitesse variable. Le lecteur est guidé dans les aspects techniques de la technologie à vitesse variable et ses avantages sont expliqués et illustrés dans le cas de trois topologies, l'une d'entre elles étant un système innovant de petite unité de pompage-turbinage. Troisièmement, les possibilités de contrôle de la puissance offertes par la vitesse variable sont étudiées dans le cas d'un système reposant classiquement sur une pompe-turbine réversible de type Francis, ainsi que dans le cas innovant susmentionné. La modélisation et la simulation des effets hydro-électromécaniques transitoires dans les systèmes de pompage-turbinage sont effectuées et illustrent la dynamique électrique élevée réalisable grâce à la vitesse variable. Le cas innovant de la petite unité de pompage-turbinage est poussé plus loin avec une analyse de stabilité, révélant les limites associées à une stratégie de contrôle de puissance trop exigeante. / In the midst of the ongoing transformation in power systems driven by the shift to renewable energy, finding effective ways to balance electricity supply and demand is crucial. Energy storage plays a pivotal role in addressing this challenge, and among the established technologies, pumped hydro energy storage (PHES) stands out as the most mature and widespread. There is however still significant untapped potential and room for improvement in PHES, by exploring new sites and adopting innovative technologies further improving the flexibility of this storage type. Within the the above-mentioned context, this Ph.D. thesis delves into the techno-economic aspects of PHES, with a specific focus on smaller systems that can operate at variable rotational speed. By examining the economic considerations and technological intricacies of these systems, the present research contributes valuable insights to the ongoing discourse on energy storage solutions in the dynamic landscape of the energy transition. First, the historical value of electricity storage is assessed on energy markets across the EU-28 countries, Norway, Switzerland, and Turkey. Sensitivity analyses are carried out with respect to the round-trip efficiency and storage duration. The results reveal significant variations in storage value from arbitrage, both geographically and temporally, with round-trip efficiency having a major impact on arbitrage value and storage duration having very low marginal value beyond 4 to 6 hours. Additionally, the impact of variable grid fees on arbitrage value is investigated, in the specific case of Belgium. The valuation results show that grid fees can decrease storage arbitrage value by 20% to 50%, and that they can also dramatically decrease storage participation in energy markets. Second, PHES systems are introduced together with the cavitation phenomena arising in the hydraulic machine involved in those systems. This specificity of PHES plays a crucial role in shaping the limited operating ranges associated with this technology, while it also explains the benefits of operating at variable rotational speed. While PHES systems have historically been operated at fixed rotational speed, recent advancements in power electronics have opened the door to variable-speed operation. In both new installations and the repowering of existing PHES projects, there is now consideration given to operating one or more units at variable speed. The reader is guided into the technicalities of the variable-speed technology and its benefits are explained and illustrated in the case of three topologies, one of them being an innovative system for small-scale PHES. Third, the power control possibilities brought by the variable speed are investigated in the case of a system classically relying on a reversible Francis pump-turbine, as well as in the aforementioned innovative case. Modelling and simulations of hydro-electromechanical transients in PHES systems are performed, and illustrate the high electrical dynamics achievable through the variable-speed technology. The innovative small-scale PHES system is pushed one step further with a stability analysis, revealing the limitations associated with a too demanding power control strategy.

Les systèmes de distribution d'eau (SDE) efficaces sont cruciaux pour les sociétés modernes. Leur fonctionnement nécessite d'importantes quantités d'énergie, avec un impact financier significatif pour les fournisseurs d'eau, généralement les gouvernements. De plus, la conception et la maintenance de ces installations atteignent souvent des millions de dollars. Les méthodes actuelles pour résoudre ces problèmes sont souvent excessivement simplifiées ou ne peuvent résoudre que des réseaux schématiques de petite taille. Cette thèse comprend quatre projets de recherche abordant différentes étapes d'optimisation dans les SDE. Tout d'abord, nous étudions le problème de la planification des pompes pour les SDE, comprenant des pompes fournissant le débit et la pression nécessaires au réseau d'eau pour satisfaire les demandes des consommateurs. En plus de planifier le fonctionnement des pompes sur un horizon temporel donné, plusieurs contraintes liées aux propriétés hydrauliques sont prises en compte, certaines pour la première fois dans la littérature. L'objectif est de fournir un plan de pompage de coût minimum qui satisfait toutes les demandes et respecte de nombreuses contraintes opérationnelles et hydrauliques. Nous proposons une formulation non linéaire et non convexe ainsi qu'une heuristique performante, qui vissent la minimisation des coûts énergétiques. Le comportement hydraulique physique est assuré via un logiciel de simulation hydraulique. Notre méthode a significativement amélioré, jusqu'à 17%, les meilleures solutions pour plusieurs instances de référence, en obtenant des solutions plus rapidement que les méthodes de la littérature. Nos solutions réduisent également la consommation d'énergie pendant les périodes de pointe, lorsque le réseau électrique est le plus sollicité. La deuxième étude touche l'optimisation de la qualité de l'eau dans les systèmes de distribution d'eau. Ici, nous abordons le problème de la planification des pompes contraint par la qualité de l'eau, où en plus de planifier le fonctionnement des pompes et la maintenance du comportement hydraulique, nous devons garantir une qualité d'eau adéquate en gérant l'injection de chlore dans le système sur un horizon temporel d'une journée, avec une injection variable de chlore dans les sources d'eau, les réservoirs et les nœuds d'injection. Cette étude introduit un nouvel ensemble de contraintes pour assurer la continuité de la qualité de l'eau, ce qui permet au plan de fonctionner sur un horizon temporel étendu. Ce travail propose un algorithme génétique de tri non dominé (NSGA-II) pour aborder une adaptation d'un réseau de grande taille issu de la littérature sur le problème de planification des pompes, avec des restrictions ajoutées pour la qualité de l'eau. Cette méthode a significativement amélioré les meilleures solutions de planification des pompes pour le réseau de Florianópolis, au Brésil, jusqu'à 3,74%, tout en assurant une gestion efficace de la qualité de l'eau. La troisième étude porte sur la conception et la maintenance des SDE. En particulier, le problème de conception du réseau de distribution d'eau, qui détermine le meilleur ensemble de conduites pour fournir de l'eau depuis les sources jusqu'aux consommateurs. La formulation générale du problème de conception optimale est très difficile à résoudre : elle nécessite de garder une pression minimale d'eau et de satisfaire les demandes de tous les nœuds tout en respectant des contraintes hydrauliques non linéaires. Cela nécessite des heuristiques complexes ou des simplifications qui réduisent la viabilité des solutions. Nous proposons une heuristique de recherche de voisinage parallèle, axée sur la minimisation des coûts de construction en exploitant deux opérateurs performants et plusieurs critères de réduction de l'espace des solutions. Notre méthode est testée sur plusieurs réseaux de référence, pour lesquelles nous avons obtenu les meilleures solutions de la littérature, tout en réduisant le nombre de simulations hydrauliques requises, offrant un meilleur compromis entre coût et performance. Enfin, notre quatrième recherche aborde la fiabilité lors de la conception de réseaux de distribution d'eau. Cette étude compare deux fonctions de résilience bien connues, qui servent de mesure substitutive de la fiabilité du réseau. Ce problème vise à déterminer le meilleur ensemble de conduites pour fournir la demande en eau avec une pression adéquate tout en minimisant les coûts de construction et en maximisant la fiabilité du réseau. Ensuite, un algorithme génétique multi-objectif est utilisé pour obtenir les fronts de Pareto coût-fiabilité pour chaque fonction. Les résultats des trois réseaux de référence sont ensuite soumis à une analyse comparative à l'aide de quatre tests distincts de fiabilité du réseau, couvrant des scénarios liés à la rupture de conduites, à l'augmentation de la demande, au débit en cas d'incendie et au vieillissement des conduites. En particulier, le test de fiabilité en cas de vieillissement des conduites intègre une fonction de régression conçue pour estimer la dégradation annuelle du coefficient de rugosité de la formule Hazen-Williams pour calculer les pertes de charge. De plus, cette recherche propose également une étude approfondie sur la prise de décision robuste visant à utiliser efficacement les résultats des tests de fiabilité afin de sélectionner une conception fiable pour un réseau de distribution d'eau. Les algorithmes développés dans cette thèse et les solutions que nous obtenons pour ces problèmes difficiles et pertinents sont non seulement importants du point de vue pratique, mais contribuent également à la littérature dans les domaines de l'optimisation et de la distribution d'eau. Les résultats obtenus avec cette thèse ont le potentiel de générer des économies de milliers de dollars pour les municipalités à court terme et de contribuer au développement durable à long terme. / Efficient Water Distribution Systems (WDS) are crucial for modern society. Their operation requires large amounts of energy with significant financial impact for the utility providers, typically governments. Moreover, the design and maintenance of these facilities often reach the scale of millions of dollars. Existing solution methods for these problems are often over-simplified or can only solve very small schematic networks. This thesis comprises four research projects addressing different optimization stages arising in WDS problems. First, we study the pumping scheduling problem for WDS, consisting of pumps providing the flow and pressure for the water network to satisfy consumers' demands. Besides scheduling the operation of pumps over a planning horizon, several constraints regarding hydraulic properties are considered, some for the first time in the literature. The goal is to provide a pumping plan of minimum cost that satisfies all demands and respects many operational and hydraulic constraints. We propose a nonlinear and non-convex formulation and a high-performance heuristic, focusing on minimizing the energy cost. Our method significantly improved the best solutions for several benchmark instances by up to 17%, obtaining solutions faster than the methods from the literature. Our solutions also reduce the energy consumed during peak periods, when the electrical grid is most strained. The second study delves into the water quality optimization of water distribution systems. Here, we address the quality-constrained pump scheduling problem, where besides scheduling the operation of pumps and the maintenance of the hydraulic behavior, we must ensure adequate water quality by managing the injection of chlorine through the system over a one-day planning horizon with variable chlorine injection at reservoirs, tanks, and booster nodes. This study introduces a new set of tank-quality continuity constraints that allow schedules to work over a long rolling horizon. This work proposes a Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II to address a quality-constrained adaptation of a real big-size benchmark network from the pumping scheduling problem literature. This method significantly improved the best pumping scheduling solutions for the Florianópolis network by up to 3.74% while ensuring efficient water quality management. The third study addresses the design and maintenance of WDS. In particular, the water distribution network design problem determines the best set of pipes to supply water from the reservoirs to the consumers. The general formulation of the optimal cost design problem is very difficult to solve: it requires maintaining minimum water pressure and fulfilling the demand of all nodes while satisfying nonlinear hydraulic constraints. This leads to complex heuristics or simplifications that reduce the viability of the solutions. We propose a simple parallel neighborhood search heuristic, which focuses on minimizing the construction cost by exploiting two high-performance operators and multiple solution-space reduction criteria. Our method is tested on several benchmark instances, matching the best solutions from the literature while improving the number of hydraulic simulations required, providing a high-performance trade-off between cost and performance. Finally, our fourth research addresses the reliable water distribution network design problem. This study compares two well-known resilience functions, which work as a surrogate measure of network reliability. This problem seeks to determine the best set of pipes to supply the water demand with adequate pressure that minimizes the construction cost and maximizes the network reliability. Subsequently, a multi-objective genetic algorithm is employed to derive the cost-resilience Pareto-fronts for each function. The results from three benchmark networks are then subjected to a comparative analysis using four distinct network reliability tests, encompassing scenarios related to pipe failure, demand increase, fire flow, and pipe aging. In particular, the pipe aging reliability test incorporates a regression function designed to estimate the annual degradation of the Hazen-Williams roughness coefficient. Moreover, this research also provides a comprehensive study on robust decision-making to effectively utilize the results from the reliability tests in order to select a dependable design for a water distribution network. The algorithms developed in this thesis and the solutions we obtain for these difficult and relevant problems are not only important from a practical standpoint but also contribute to the literature of both optimization and water distribution fields. The results obtained with this thesis have the potential to save several thousands of dollars for municipalities in the short term and to contribute to sustainable development in the long term.