Notre avenir énergétique doit être basé sur des énergies non polluantes ayant des ressources importantes. Les énergies renouvelables sont les meilleurs candidats mais l'intermittence de leur production nécessite de trouver des moyens de stockage efficaces et respectant l'environnement. Un système électrolyseur/pile à combustible permet de stocker l'électricité par l'intermédiaire d'un stockage sous forme de gaz et, en plus, de générer de la chaleur. L'objectif de ce travail est d'évaluer les performances d'un système autonome de production d'énergie électrique et thermique, couplant un champ photovoltaïque et un système de stockage par l'hydrogène, composé d'un électrolyseur, d'une unité de stockage de gaz et d'une pile à combustible. L'hydrogène est l'unique moyen de stockage de l'électricité. Pour réaliser cette étude, deux outils complémentaires ont été développés : un banc d'essai de 3,6 kW et un outil de simulation.<br/> Pour sélectionner le banc d'essai, une étude bibliographique rassemble les informations nécessaires au dimensionnement et au choix du système et de ses composants. La disponibilité très limitée de composants adaptés à notre application nous a contraints à développer de nouveaux appareils (électrolyseur, pile à combustible, appareil de conversion et de gestion d'énergie). Le banc d'essai réalisé est automatisé et sécurisé. L'analyse expérimentale évalue le rendement du système de stockage par l'hydrogène par la détermination des différentes pertes dans chacun des composants. Différentes modifications sont proposées pour améliorer les performances du système de stockage. L'outil de modélisation simule le fonctionnement du banc d'essai pour une charge et un site donnés. Il peut modéliser tout système à partir de résultats expérimentaux des composants. Les résultats de simulation permettent de caractériser le fonctionnement du système dans une application autonome, de déterminer ses performances et d'évaluer l'influence des différentes pertes.

Voir résumé étendu en français en fin de thèse. / In the actual energetic and economic context, energy polygeneration represents the answer regarding the efficient use of a fuel. This solution would diminish the losses associated to the classical methods of energy production and, as a result, would increase the installations' efficiency. The polygeneration systems (cogeneration/trigeneration of energy), consist of various technologies that offer alternatives to the global problems linked to energy, such as energy scarcity, energy supply security, emissions control from the production of energy, economy and energy conservation, etc.. This doctoral thesis examines two types of polygeneration of energy. The first part focuses on the analysis of a high power trigeneration system based on a gas turbine installation for production of electrical energy, the second part of the thesis is dealing with a system of micro-cogeneration of energy powered by a solar Stirling engine. Given the actuality and interest for the polygeneration field of energy production, there is a constant concern to simulate and optimize the operation of this kind of systems in order to achieve significant performance designed to satisfy the consumers' needs

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

L'amélioration des systèmes énergétiques est considérée comme un levier technologique pour répondre aux défis liés à la croissance de la demande d’électricité et des émissions des gaz à effet de serre. Les futures centrales devraient présenter une intégration thermique plus flexible et des sources de chaleur mixtes possibles. Une des solutions fiables consiste à utiliser un cycle de Brayton au CO2 supercritique (CO2-SC), un tel cycle à haut rendement est théoriquement prometteur pour les applications nucléaires, fossiles et solaires thermiques. Un des principaux obstacles au déploiement du cycle de Brayton au CO2-SC est de justifier sa faisabilité, sa viabilité et son potentiel à l’échelle industrielle. Dans ce contexte deux axes de recherche ont été identifiées : • Une sélection rigoureuse de l’équation d’état qui permet de représenter les propriétés d’intérêt du CO2-SC. • Une nouvelle méthodologie pour l’optimisation des centrales électriques, permettant de sélectionner automatiquement le procédé optimal parmi une grande quantité de configurations possibles (dénomme superstructure). Les résultats de la première partie de cette thèse mettent en lumière que l’équation de SW est pertinente pour limiter l’impact de l’imprécision de l’équation d’état sur le dimensionnement du procédé. Dans cette thèse, un simulateur de procédé commercial, ProSimPlus a été combiné avec un solveur type évolutionnaire (MIDACO) afin d’effectuer des optimisations superstructure. Premièrement, le critère d’optimisation est de maximiser le rendement énergétique du procédé. Dans un deuxième temps, on cherche simultanément à minimiser les coûts du procédé. Pour ce faire, des fonctions de coût internes à EDF ont été utilisées afin de permettre l’estimation des coûts d'investissement (CAPEX), des dépenses opérationnelles (OPEX) et du coût actualisé de l'électricité (LCOE) / Efficiency enhancement in power plant can be seen as a key lever in front of increasing energy demand. Nowadays, both the attention and the emphasis are directed to reliable alternatives, i.e., enhancing the energy conversion systems. The supercritical CO2 (SC-CO2) Brayton cycle has recently emerged as a promising solution for high efficiency power production in nuclear, fossil-thermal and solar-thermal applications. Currently, studies on such a thermodynamic power cycle are directed towards the demonstration of its reliability and viability before the possible building of an industrial-scale unit. The objectives of this PhD can be divided in two main parts: • A rigorous selection procedure of an equation of state (EoS) for SC-CO2 which permits to assess influences of thermodynamic model on the performance and design of a SC-CO2 Brayton cycle. • A framework of optimization-based synthesis of energy systems which enables optimizing both system structure and the process parameters. The performed investigations demonstrate that the Span-Wagner EoS is recommended for evaluating the performances of a SC-CO2 Brayton cycle in order to avoid inaccurate predictions in terms of equipment sizing and optimization. By combining a commercial process simulator and an evolutionary algorithm (MIDACO), this dissertation has identified a global feasible optimum design –or at least competitive solutions– for a given process superstructure under different industrial constraints. The carried out optimization firstly base on cycle energy aspects, but the decision making for practical systems necessitates techno-economic optimizations. The establishment of associated techno-economic cost functions in the last part of this dissertation enables to assess the levelized cost of electricity (LCOE). The carried out multi-objective optimization reflects the trade-off between economic and energy criteria, but also reveal the potential of this technology in economic performance.

La récupération d'énergie ambiante est une solution efficace et respectueuse de l'écosystème pour alimenter de manière autonome des nœuds de capteurs. La pile microbienne benthique (BMFC) est un système récupérant l'énergie de la biomasse sédimentaire à l'aide du métabolisme électro-actif des bactéries présentes naturellement dans le milieu. Bien que prometteuse comme source d'énergie long terme pour des capteurs marins, ses niveaux de puissance (autour de 100 µW) et de tension (0,6 V en circuit ouvert) nous engage à mener une réflexion sur la conception de son interface électronique de récupération. La première partie de cette thèse détaille la conception de BMFCs de taille centimétrique faites en laboratoire en maintenant des conditions proches du milieu naturel. Une seconde partie s’intéresse à caractériser et modéliser le comportement électrique des BMFCs dans le domaine statique puis dynamique, en vue de concevoir le circuit de récupération de manière appropriée. A l’aide du modèle électrique statique, une interface de récupération est définie et optimisée de manière à extraire le maximum de puissance et maximiser le rendement de conversion. Le choix se porte sur le convertisseur flyback en mode de conduction discontinue. A l’aide d’un modèle prédisant les pertes du flyback validé expérimentalement, une étude portée sur la fréquence de découpage, le rapport cyclique et le choix des inductances couplées a permis d’atteindre un rendement de 82% et 64% pour une BMFC délivrant respectivement 90 µW et 30 µW. Une dernière partie s’intéresse à optimiser l’interface de récupération en prenant en compte les différentes variabilités de la BMFC. Notamment, l’intérêt du suivi du MPP est discuté et l’influence du comportement commuté du flyback sur les pertes dynamiques supplémentaires au sein de la BMFC est analysée grâce au modèle électrique dynamique de la BMFC déduit au second chapitre. / Harvesting energy in the surrounding environment is an advantageous alternative to conventional batteries for powering autonomously remote sensors in addition to processing in an eco-friendly way. Many researches currently focus on harvesting energy from solar, thermal and vibrational sources scavenged in environments near the sensor. Less analyzed in the literature, the benthic microbial fuel cell (BMFC) is an emerging harvesting technology that exploits the waste materials in the seafloors. The catalysis properties of bacteria into a couple of redox reactions convert chemical energy from the sediment into electrical energy. Although promising as a long-term energy source for marine sensors, its power levels (around 100 μW) and voltage (0.6 V in open circuit) commit us to reflect on the design of its electronic harvesting interface. The first chapter of this thesis details the design of lab-made cm2-BMFC while maintaining conditions close to the natural environment. A second chapter focuses on characterizing and modeling the electrical behavior of BMFCs in the static and dynamic domains. Thanks to the static electric model, a harvesting electrical interface is defined and optimized to extract the maximum power and maximize the conversion efficiency. The flyback converter in discontinuous conduction mode is chosen. By using a model predicting the losses of the experimentally validated flyback, we studied the choice of the switching frequency, the duty cycle and the coupled inductances. We reached an efficiency of 82% and 64% for a BMFC delivering respectively 90 μW and 30 μW. A final chapter focuses on optimizing the harvesting interface by taking into account the different variabilities of the BMFC. In particular, the interest of the MPP monitoring is discussed and the influence of the flyback switched behavior on the additional dynamic losses within the BMFC is analyzed thanks to the dynamic electrical model of the BMFC deduced in the second chapter.