Les systèmes à énergies renouvelables couplés à un stockage hydrogène apportent des solutions nouvelles et innovantes à l'alimentation électrique des milieux peu ou non électrifiés. Le concept de batterie H2 qui équipe ce type de système est une forme de stockage originale qui apporte l'autonomie et l'indépendance électrique pour des longues durées (typiquement stockage saisonnier). Le fonctionnement de cette batterie H2 est le suivant : un électrolyseur produit des gaz (H2 et O2) avec les surplus d'énergie de la source renouvelable ; l'hydrogène, voire l'oxygène, est ensuite stocké dans des réservoirs pour être utilisé ultérieurement grâce à une pile à combustible lorsque la source renouvelable est insuffisante. Dans cette étude, nous nous intéresserons spécifiquement au couplage entre des générateurs photovoltaïques avec une batterie H2/O2 pour l'alimentation d'un site isolé sans interruption. Ces travaux de recherche s'inscrivent dans le projet ANR PEPITE (ANR-PanH 2007-2012) et ont été menés en partenariat avec HELION Hydrogen Power, le CEA Liten et l'Université de Corse. Le projet est également labellisé par les pôles de compétitivité CAPENERGIES et TENERRDIS. Tout d'abord, une réflexion générale s'appuyant sur les propriétés d'une batterie H2/O2 démontre la nécessité d'introduire une batterie (ici au plomb) pour garantir un fonctionnement instantané et sans interruption. Puis, une étude qualitative sur les architectures électriques possibles (bus de tension DC, AC…) a été menée pour s'achever sur une étude quantitative réalisée spécifiquement pour le projet PEPITE. Parallèlement à cela, différentes stratégies de gestions énergétiques ont été proposées afin d'utiliser les deux stockages dans les meilleures conditions, de limiter leur vieillissement ainsi que les pertes. Deux bancs d'essais à échelle réduite (un premier à bus DC et un second à bus AC) ont été réalisés au sein du laboratoire LAPLACE afin de valider les études et de préparer le prototype final qui sera testé sur le site de HELION Hydrogen Power au cours de l'été 2011.

L’augmentation de la consommation pour soutenir la croissance, le souci de réduction des gaz à effet de serre et les avancées technologiques ont favorisé le développement des sources d’énergie renouvelables depuis les années 90. L’implantation de ces générateurs décentralisés a progressivement modifié l’architecture du réseau en passant d’un modèle vertical à une situation davantage clusterisée. Ce réseau maillé voit ainsi apparaitre de nouveaux acteurs, à la fois producteurs et consommateurs (en anglais, les « prosumers»). Pour ce type de structures, la stratégie classique actuelle consiste à acheter l'ensemble de l'énergie consommée alors que la totalité de la production est vendue séparément à des tarifs intéressants. Avec les progrès réalisés sur les différentes technologies de stockage, de nouveaux degrés de liberté apparaissent et des opérations plus intelligentes deviennent possibles. L’objet de l’étude est un microréseau comprenant un générateur photovoltaïque et un consommateur tertiaire associés à un moyen de stockage. Deux technologies sont envisagées avec des volants d’inertie dans un premier temps et une batterie électrochimique (Li-ion) par la suite. Les domaines d’étude relatifs à ce type de système sont la gestion énergétique par planification, la commande temps réel et le dimensionnement. Les travaux de cette thèse se concentrent d’abord sur la problématique de gestion par optimisation des flux d’énergie. Différents algorithmes sont ainsi utilisés et comparés pour planifier le fonctionnement du microréseau. L’objectif est de diminuer la facture énergétique en tenant compte des données de consommation et production mais également des politiques tarifaires en vigueur et d’éventuelles contraintes de fonctionnement imposées par le fournisseur d’énergie. Dans un second temps la problématique de dimensionnement est abordée avec une démarche de conception optimale intégrant la boucle de gestion dès la phase de design. Nous montrons plus particulièrement comment l’adéquation entre les méthodes d’optimisation utilisées et le modèle du microréseau employé peut permettre la réduction significative des temps de calcul. Une configuration optimale du microréseau, valable sur des horizons temporels longs intégrant les alternances saisonnières, peut finalement se dégager. Les travaux se concluent sur une phase d’analyse avec des dimensionnements établis pour différents contextes tarifaires. Le but est de dégager des domaines permettant de valoriser et justifier l’installation d’un moyen de stockage qui s’avère indispensable pour soutenir le développement des sources d’énergies renouvelables et assurer la transition énergétique. / To face the increasing demand of electrical power in compliance with the liberalization of the electricity market and the need of reducing CO2 emissions, many distributed energy resources have emerged and especially the generation systems that utilize renewable energy sources. In the nearfuture, the grid could be described as an aggregation of several microgrids both consumer and producer. For those "prosumers", a classical strategy consists in selling all the highly subsidized production at important prices while all consumed energy is purchased. Smarter operations now become possible with developments of energy storage technologies and evolving prices policies. The microgrid considered in the thesis is composed of an industrial load and a photovoltaic generator associated to an energy storage. Two technologies are considered with high speed flywheels on one hand and a Li-ion electrochemical battery on the other. The common study referring to such systems allude to the optimal scheduling, the real-time management and the sizing methodology. Firstly in the thesis, the optimal power flow dispatching is performed using various algorithms. Those operations aim at reducing the electrical bill taking account of consumption and production forecasts as well as the different fares and possible constraints imposed by the power supplier. Then the design strategy is investigated. The approach consists in simultaneously integrating the energy management and the sizing of the system. We particularly underline the complexity of the resulting optimization problem and how it can be solved using suitable optimization methods in compliance with relevant models of the microgrid. We specifically show the reduction of the computational time allowing the microgrid simulation over long time durations in the optimization process in order to take seasonal variations into account. In the last part a cost analysis is performed, and different design are computed depending on the prices policies. The goal is to determine a financial context that would encourage the deployment of storage systems that are necessary to favor the development of intermittent renewable energy sources.

Une des propriétés intrinsèques des matériaux diélectriques est d'accumuler des charges électriques sous l'action de contraintes extérieures (température, champ électrique...). Ce phénomène utile dans certaines applications (mémoires non volatiles...), demeure en général une cause de défaillance (microsystèmes...). Il convient donc de disposer d'une méthode permettant de mesurer cette densité de charges aux échelles pertinentes pour le système. Du fait de la miniaturisation, les méthodes classiques de mesure de charge d'espace (PEA, FLIMM,...) ne sont plus adaptées, car leurs résolutions latérales de quelques micromètres est bien supérieure aux dimensions nanométriques des systèmes. Une nouvelle méthode de mesure de la charge d'espace basée sur la microscopie à champ proche, et plus particulièrement la mesure de potentiel de surface par microscopie à sonde de Kelvin (KPFM), permet d'obtenir des informations sur l'état de charge du matériau avec une résolution nanométrique. Notre objectif est d'étudier les phénomènes d'injection et de rétention de charges dans des diélectriques minces. Pour cela deux voies ont été explorées. La première consiste à injecter localement des charges à la surface d'une couche mince de SiOxNy d'épaisseur variable (entre 6nm et 130nm) et à mesurer les modifications du potentiel de surface induit par les charges. Les mesures de potentiel de surface (KPFM) et de courant (C-AFM) couplées à des simulations du champ électrique par éléments finis (COMSOL) ont mis en évidence que deux mécanismes sont en jeu lors de l'injection de charges : le piégeage dans la couche et la conduction au travers de la couche. Pour les épaisseurs les plus fines la conduction est le mécanisme majoritaire (ce qui limite la quantité de charges piégées) alors que pour les films plus épais le piégeage est majoritaire. Pour les films d'épaisseur intermédiaire les deux mécanismes sont en compétition. Une fois les charges injectées leur dissipation se fait majoritairement dans le volume selon une dynamique indépendante de l'épaisseur de la couche. La seconde voie consiste à étudier l'injection et le déplacement de charges entre deux électrodes latérales enfouies dans le diélectrique. Cette structure permet de s'affranchir du manque de sensibilité de la mesure KPFM à la profondeur des charges dans le volume et d'étudier les phénomènes d'injection aux interfaces et le transport de charges sous champ électrique. Le champ électrique induit entre les deux électrodes polarisées a été simulé par éléments finis sous COMSOL et comparé aux mesures de potentiel KPFM. Nous avons ainsi pu caractériser l'injection à l'interface métal/diélectrique et nous avons montré la faisabilité d'utiliser ce type de structure pour étudier la mobilité des charges au sein d'une couche diélectrique. / One of the intrinsic properties of dielectrics is to accumulate electrical charges when subjected to external stresses (temperature, electrical field ...). This property can be helpful for some applications (DRAM...), but leads generally to failure of the device (micro-system...). Thus, a charge density measurement technics is mandatory for the scale of relevance according to the observed system. However due to miniaturization, the measurement technics classically used are helpless to study tiny systems of a few tens nanometers thick, as their spatial resolution is of the order a few micrometers. A new measurement technics represented by KPFM (Kelvin Probe Microscopy) and based on near field microscopy technology, can measure charges on a material with nanoscale lateral resolution. Our purpose here is to characterize charges injection and decay mechanisms in thin SiOxNy and SiNx film deposited by plasma process, thanks to near field microscopy. To achieve this goal, two approaches have been explored. The first one consists in localized injection of electrical charges at the surface of a thin SiOxNy layer of variable thickness (between 6 nm and 130nm) and to measure surface potential modification induced by injected charges. Surface potential (KPFM) and current (C-AFM) measurements coupled to electric field simulation by finite element (COMSOL(r)) emphasizes that two mechanisms are involved during charges injection: trapping and conduction through the layer. For thinner layers, conduction mechanism is predominant (which limits trapped charges amount); while for thicker films trapping is the main mechanism. For intermediate thickness films both mechanisms are in competition. Once the charges injected, dissipation in volume appears to be the predominant mechanism for any thickness. The second approach is the study of charges injection and transport between two embedded lateral electrodes. This structure allows overcoming the lack of in-depth sensitivity of the KPFM measurement toward the position of charges in the volume, to study injection phenomena at interfaces and transport of charges within the volume under electrical field constraint. The electric field induced between the two polarized electrodes was simulated by finite element using COMSOL and compared to surface potential measured by KFM. Results emphasize technical issues related to charges injection/transport between lateral electrodes. According to this analysis an experimental set up and data post-treatment protocol is developed which permits to characterized charges injection at interface. Besides, feasibility of charges mobility investigation using this type of structure was demonstrated.

Les gaz rares sont d’excellents traceurs des hétérogénéités géochimiques et isotopiques présentes dans le manteau terrestre. Cependant, le stockage et le transport de ces éléments dans les minéraux mantelliques restent mal compris. Cette thèse est centrée sur les sites de stockage de l’hélium et l’argon, et leurs mécanismes de diffusion dans les roches mantelliques. Des échantillons d’olivine polycristalline ont été dopés en hélium et argon à haute température (1150 ± 25 and 1050 ± 25 °C) et haute pression (0.30 ± 0.01 GPa), et analysés par chauffage par paliers de température avec un spectromètre de masse. L’influence d’une concentration initiale hétérogène dans l’échantillon sur les diffusivités calculées a également été testée, démontrant la robustesse des paramètres de diffusion obtenus dans cette étude. Les résultats montrent que deux domaines de diffusion sont présents dans l’olivine polycristalline : (i) un domaine à haute température avec une énergie d’activation (Ea) élevée où la diffusion est contrôlée par la diffusion dans la maille cristalline, et (ii) un domaine à plus basse température avec une Ea plus faible où la diffusion est contrôlée par à la fois la diffusion dans la maille cristalline et celle dans les joints de grains. Ces deux domaines sont séparés par une température de transition qui a lieu au moment où les joints de grains ont été vidés. Mes résultats confirment que les joints de grains peuvent représenter un site de stockage significatif pour l’hélium et l’argon. Pour l’hélium, deux populations d’Ea ont été observées dans le domaine de la maille cristalline de l’olivine, interprétées comme correspondant à la diffusion de l’hélium dans les sites interstitiels (Ea = 95 ± 15 kJ.mol-1) et dans les sites vacants du Mg (Ea = 168 ± 19 kJ.mol-1). Pour l’argon, une valeur moyenne des paramètre de diffusion dans la maille cristalline (Ea = 166 ± 44 kJ.mol-1 et logD0 = −7.04 ± 1.13 avec D0 en m2.s-1) a été obtenue à partir des données de la littérature et de notre étude. De plus, les paramètres de diffusion dans les joints de grains ont été déterminés : Ea = 45 ± 12 kJ.mol-1 et D0 = 5.30 ± 1.53 * 10-13 m2.s-1 pour l’hélium, et Ea = 22 ± 5 kJ.mol-1 et log(D0) = -12.33 ± 0.3 pour l’argon avec D0 en m2.s-1. En appliquant ces résultats au manteau supérieur, il s’avère qu’une quantité conséquente d’hélium et d’argon peut être stockée aux joints de grains (~ 22% pour une taille de grain de 1 mm). En conséquence, les diffusivités globales peuvent être significativement plus élevées que celles de la maille cristalline, induisant des implications importantes pour la géochimie et la géodynamique du manteau terrestre / Noble gases are key tracers of mantle geochemical and isotopic heterogeneities and can constrain our understanding of mantle geodynamics. Nevertheless, the basic mechanisms of noble gas storage and transport in mantle minerals remain poorly understood. In this PhD thesis, I focused on helium and argon to constrain their storage sites and the diffusive mechanisms, which occur in mantle rocks. Polycrystalline olivine was doped with helium and argon at high temperature (1150 ± 25 and 1050 ± 25 °C) and high pressure (0.30 ± 0.01 GPa), followed by step heating extraction experiments. I also tested the effect of heterogeneous initial concentrations on the extracted diffusivities, and demonstrate the robustness of diffusion parameters obtained in this study. My results show that two diffusion domains are present in polycrystalline olivine: (i) a high temperature domain with high activation energy (Ea) where diffusion is only controlled by lattice diffusion, and (ii) a lower temperature domain with lower Ea where diffusion is controlled by both grain boundary and lattice diffusion. These two domains are separated by a transition temperature that depends on the depletion of helium or argon hosted in grain boundaries, i.e., the amount of helium or argon stored at grain boundaries and the temperature and duration of the step heating sequence. The results confirm that grain boundaries can represent a significant storage site for helium and argon. Moreover, I constrained argon and helium diffusion in olivine lattice. For helium, I report two different populations of Ea in the lattice diffusion domain, which are interpreted as diffusion in interstitials (Ea = 95 ± 15 kJ.mol-1) and Mg vacancies (Ea = 168 ± 19 kJ.mol-1). For argon, a mean value of diffusion parameters in olivine lattice (Ea = 166 ± 44 kJ.mol-1 and logD0 = −7.04 ± 1.13 with D0 in m2.s-1) is obtained for data from literature and this study. Furthermore, I determine grain boundary diffusion parameters: Ea = 45 ± 12 kJ.mol-1 and D0 = 5.30 ± 1.53 * 10-13 m2.s-1 for helium, and Ea = 22 ± 5 kJ.mol-1 and log(D0) = -12.33 ± 0.3 for argon with D0 in m2.s-1. Applying these results to the upper mantle reveals that high content of helium and argon can be stored at grain boundaries. As a consequence, bulk diffusivities can be significantly higher than lattice diffusivities, inducing important implications for mantle geochemistry and geodynamics

En rapport avec la transition énergétique, d’importantes capacités de stockage énergétique sont nécessaires pour intégrer la forte variation de la production énergétique au travers des centrales éoliennes et photovoltaïques. La transformation de l’énergie électrique en énergie chimique sous forme d’hydrogène est l’une des possibles techniques. La technologie de stockage de l’hydrogène souterrain, selon laquelle l’hydrogène est stocké dans les formations souterraines semblables au stockage du gaz naturel est actuellement un axe de recherche de plusieurs états européens. Par comparaison au stockage du gaz naturel dans les formations souterraines et qui est établie depuis de nombreuses années, l'hydrogène a montré des différences significatives dans son comportement hydrodynamique et biochimique. Ces aspects ont été étudiés dans la présente thèse en utilisant différentes approches analytiques et numériques / In the context of energy revolution large quantities of storage capacity are required for the integration of strongly fluctuating energy production from wind and solar power plants. The conversion of electrical energy into chemical energy in the form of hydrogen is one of the technical possibilities. The technology of underground hydrogen storage (UHS), where hydrogen is stored in subsurface formations similar to the storage of natural gas, is currently in the exploratory focus of several European countries. Compared to the storage of natural gas in subsurface formations, which is established since many years, hydrogen shown some significant differences in its hydrodynamic and bio-chemical behavior. These aspects were investigated in the present thesis by different analytical and numerical approaches

RésuméLa République Démocratique du Congo est dotée d’un potentiel hydroélectrique estimé à 100.000MW répartis sur 217 sites, dont 2.6% du potentiel est exploité à ce jour. Malgré ce potentiel, malheureusement le taux d’accès de la population congolaise à l’électricité est de 9%, contre une moyenne africaine évaluée à 24.6%. La province du Katanga étant le poumon économique de la RDC est dotée de 24 sites pouvant produire une puissance exploitable de 1952MW, mais actuellement, seulement 4 sites sont en exploitation pour une puissance de 468MW.Suite à l’intensification d’activités industrielles dans la province du Katanga pour la production de matières premières (cuivre et cobalt essentiellement) ces dernières années et à l’accroissement de la population urbaine, la demande en énergie électrique ne fait qu’augmenter d’année en année. Le gestionnaire de réseau face à cette réalité, recourt en permanence à l’importation d’électricité depuis la Zambie pour satisfaire la clientèle. Mais malgré ce recours, la charge n’est pas totalement satisfaite, alors le gestionnaire est conduit à instaurer une politique de délestage tournant pour soulager son réseau électrique.Le but de notre thèse est l’amélioration de la fiabilité/sécurité d’approvisionnement du réseau katangais par des approches locales qui sont constituées de construction de nouvelles centrales électriques et de voir dans quelle mesure le recours au stockage peut contribuer à cette amélioration. La fiabilité du système électrique sera caractérisée par les indicateurs de fiabilité de niveaux hiérarchiques I et II. Pour atteindre notre objectif, une modélisation simplifiée, mais suffisamment détaillée, du réseau électrique sud/SNEL (Société Nationale d’Electricité) s’est avérée nécessaire, et l’application des outils de résolution des OPF (Optimal Power Flow) à ce réseau nous a permis d’estimer les indicateurs de fiabilité et de faire également l’analyse de sécurité du système. Cette analyse a servi à identifier les lignes et transformateurs candidats au renforcement du réseau.Les résultats obtenus ont montré une faible influence de l’utilisation des unités de stockage sur les indicateurs de fiabilité au niveau de la haute tension. Néanmoins des bons résultats ont été obtenus lors de l’utilisation du stockage au niveau de la distribution. Pour améliorer davantage les indicateurs de fiabilité, nos recherches présentent les perspectives sur les modèles de charge, la prise en compte d’un modèle de réseau étalé jusqu’à la moyenne tension ainsi d’une étude dynamique. SummaryThe Democratic Republic of Congo (DRC) is endowed with a hydroelectric potential estimated at 100.000MW. This potential is distributed on 217 sites, among which only 2.6% is exploited to this day. But unfortunately, in spite of this potential, only 9% of the Congolese population have access to electricity, while the African average is estimated at 24.6%. The province of Katanga, considered as the economic lung of the DRC, is endowed with 24 sites, which can produce an exploitable power of 1952MW. At present, only 4 out of the 24 sites are in exploitation, for an installed power of 468MW.These last years, the province of Katanga has encountered an intensification of industrial activities for the production of raw materials such as copper and cobalt. Furthermore, the urban population is rapidly expanding. These two factors are causes of a constant increase of the demand in electrical energy. To deal with this requirement, the electrical system operator is forced to import a part of the supply from Zambia in order to satisfy the customers. However, despite this importation, the load is not fully satisfied. The system operator must then establish a policy of rotating load shedding to relieve the network.The purpose of our thesis is the improvement of the supply reliability/safety of the Katanga network, by local approaches which are constituted of the construction of new power plants, and to see to which extent storage can contribute to this improvement. The reliability of the electrical system will be characterized by reliability indicators at hierarchical levels I and II. To reach this goal, a simplified, yet sufficiently detailed modeling of the south network/SNEL (National Company of Electricity) was necessary, and the application of OPF (Optimal Power Flow) tools to this network model allowed us estimating the reliability indicators and making the safety analysis of the system. This analysis helped identify lines and transformers that are candidates to the reinforcement of the network.The obtained results showed a weak influence of the use of the storage units on the reliability indicators at the high voltage level. Nevertheless, good results have been obtained when using storage at the distribution level. For a better improvement of the reliability indicators of the Katanga network, our research works present perspectives on the models of load, taking into account an extended network model up to the medium voltage and a dynamic study. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le stockage de l'énergie et la valorisation du CO2 sont des enjeux d'avenir. A ce jour, l'électricité est une ressource non stockable massivement. Un stockage sous forme chimique peut être une réponse à ce défi et être d'autant plus intéressant si le procédé consomme du CO2. La conversion du CO2 dans un électrolyseur à conduction protonique PCEC (Proton Ceramic Electrolysis Cell) fonctionnant à moyenne température (entre 400 et 600°C) en composés organiques valorisables, tels que le méthane ou le méthanol, permettrait de réaliser un stockage de l'énergie électrique sous forme d'énergie chimique. Cette conversion est appelée électrohydrogenation du CO2. L'électrolyseur, utilisé comme un outil de conversion, génère des protons qui, par réaction à la cathode avec le CO2, forment d'autres composés.Dans ce procédé, les paramètres expérimentaux tels que la température, la pression, les débits de gaz et la puissance (U et I) appliquées à l'assemblage électrodes/électrolyte influencent considérablement la nature des produits formés et leurs proportions. Plus particulièrement, de faibles débits de CO2 favorisent la formation de composés à bas point d'ébullition de type alcools, qui restent cependant très minoritaires par rapport à la formation de CO.Une réaction de co-électrolyse a pu être identifiée en raison de la présence de lacunes d'oxygène dans la structure perovkite constituant l'électrolyte. / The electrical energy storage is one of the main challenges of the century. The conversion of electrical energy into chemical energy is one of the several possibilities to store electrical energy. As CO2 is the most important gas responsible of greenhouse effect, the compilation of electrical energy storage and CO2 utilization in a process could be of particular interest. In the so-called electrohydrogenation process of CO2, a PCEC (Proton conductor electrolysis Cells) functioning at medium temperature (400°C and 600°C) is used to convert CO2 into organic compounds, like CH4 or CH3OH, to assess electrical energy transformation into chemical energy. The electrolyzer is a conversion tool which creates hydrogen protons that will react with CO2 at the cathode of the electrolyte/electrodes assembly.In this process, experimental parameters like the temperature, the pressure, the CO2 flow, and the power (U and I) applied at the assembly influence the nature and ratio of the different chemical products formed. Mainly, a low CO2 flow will promote the synthesis of products with a low melting point (alcools) even if these compounds are minor relative to CO formation.A co-electrolysis side reaction, caused by the oxygen vacancies in the perovkite (electrolyte), has been identified.

La réglementation thermique sur les bâtiments en France impose le recours aux énergies renouvelables. L'énergie solaire, à la fois thermique et photovoltaïque, présente un grand potentiel en termes de disponibilité. Néanmoins, du fait de son caractère intermittent, des systèmes de stockage associés sont nécessaires. Pour ce qui est des systèmes solaires thermiques, les capteurs solaires intégrant le stockage (CSIS) ont pour avantages une grande simplicité ainsi que des coûts réduits comparés à des systèmes plus classiques. Ils permettent également d'éviter la problématique de la mise en place du stockage, les rendant ainsi adaptés à la rénovation énergétique.Le présent travail de thèse étudie les phénomènes de convection naturelle dans une cavité fermée à haut rapport de forme (H/L = 13) représentant le réservoir de stockage d'un CSIS. Dans un premier temps, un état de l'art des systèmes existants ainsi qu'une étude bibliographique de l'étude de ces systèmes et des phénomènes s'y déroulant sont réalisés. Il y est mis en évidence l'importance de la stratification des températures au sein du réservoir pour l'amélioration des performances globales du système. Dans un second temps, une étude expérimentale de la cavité est effectuée pour la compréhension des écoulements liés à la mise en place d'une stratification thermique satisfaisante, ainsi que des paramètres pouvant l'influencer. Dans cette étude, une plaque de stratification est ajoutée à l'intérieur de la cavité pour canaliser le fluide chaud ascendant, limitant ainsi le brassage. La zone de chauffe représentant l'échange entre la boucle solaire et le réservoir est placée au milieu de la face supérieure du système, résultant en une bonne stratification. Un écoulement inverse est observé au niveau de la sortie de ce canal. Ce phénomène est principalement responsable de l'écart de température obtenu entre le haut et le bas du système. Une étude numérique CFD du système a donc été conduite pour étudier l'influence de différents paramètres sur le comportement thermique et de l'écoulement. La diminution de l'écoulement inverse permet une meilleure circulation du fluide dans la globalité du système. Afin de déterminer si la stratification thermique observée dans le système de stockage conduit à une performance énergétique annuelle satisfaisante du capteur auto-stockeur, une modélisation nodale a été effectuée. Différents paramètres tels que la position de la zone d'échange entre le collecteur et le réservoir de stockage, ou encore l'épaisseur de l'isolant ont été étudiés pour quantifier leur influence sur les performances du système complet. / Thermal regulation for dwellings in France makes the resort to renewable energy mandatory. Solar energy has an important potential regarding its availability, for both thermal and photovoltaic applications. However, due to its intermittency, there is a need for a storing device. Concerning solar thermal systems, Integrated Collector Storage Solar Water Heaters (ICSSWH) have the advantage of a simple design and use combined with reduced costs compared to more classical devices. These systems also enable to avoid the problem of finding space for the installation of a storage system in an existing building, making them more suitable for energy renovation of houses.This present work studies the phenomena of natural convection in an enclosed cavity with high aspect ratio (H/L = 13) representing the storage of an ICSSWH. Firstly, a state of the art of existing systems as well as a literature review of these systems and of the phenomena occurring in them are conducted. The importance of thermal stratification inside the storage tank for the increase of global efficiency for the whole system is highlighted. Secondly, an experimental study of the cavity is performed to understand the fluid flow linked to the satisfying stratification obtained in the system, and find the parameters influencing it. In the experimental setup, a stratification plate is added inside the cavity to harness the ascending hot flow, hence limiting the mixing of fluid which is responsible for the destratification. The heated zone, which represents the exchange between the solar collector and the storage, is placed in the middle of the upper wall of the system, resulting in a good thermal stratification. A reverse flow can be observed at the channel outlet, which is the main parameter for the high temperature difference obtained between the top and the bottom of our system. A CFD study of the experimented system is then conducted to determine the influence of several parameters on the thermal and fluid flow behavior of the system. The decrease of reverse flow allows a better loop of the fluid in the whole cavity. In order to discover whether the thermal stratification observed in the storage leads to a better annual efficiency for the whole ICSSWH, a nodal model is used. Several parameters such as the position of the heat exchange zone between the collector and the storage or the insulation thickness are studied to quantify their influence on thermal stratification, and hence on the overall efficiency of the system.

Dans le stockage d’énergie, les alternatives aux énergies fossiles sont peu nombreuses. Le stockage d’énergie dans un condensateur, permet d’atteindre de grande puissances électriques, mais pour une densité d’énergie trop faible. La présente thèse à pour objectif la compréhension des nano-céramiques ferroélectriques afin d’augmenter leur densité d’énergie et de se diriger ainsi vers un super-condensateur céramique. Nous avons développé dans un premier temps un modèle par champs effectif moyen du système core-shell. Une fois introduit dans l’énergie libre de Landau, ce modèle donne une idée de la densité d’énergie d’un système ferroélectrique donné. Les calculs – sur quelques pérovskites courantes - indiquent que la densité d’énergie reste relativement faible. Néanmoins nos calculs montrent que l’on peu optimiser le stockage d’énergie dans de telles céramiques en enrobant des grains de forme allongée comme des disques ou des fils. En outre, ce modèle phénoménologique permet d’expliquer de nombreuses mesures expérimentales sur les céramiques, y compris dans le cas ou s’ajoute de la conductivité et de la relaxation de Maxwell-Wagner. Nous nous sommes tournés par la suite vers une modélisation ab-initio : l’Hamiltonien effectif. La modélisation de nano-système core-shell de BaTiO3 a montré la présence d’un paramètre d’ordre particulier : le moment toroïdale. Ce paramètre d’ordre peut impliquer un comportement diélectrique différent. Introduit dans une description phénoménologique de type Landau, ce dernier est responsable de la disparition de la phase orthorhombique dans BaTiO3. La synthèse de nanoparticules de BaTiO3 de formes cubiques et homogènes, nous a permis de faire une série de mesure. Les mesures MET, RAMAN, RX, diélectriques sur les poudres et les céramiques, suggèrent la présences de transitions de phases générées par la présence d’un paramètre d’ordre similaire à celui observé dans modélisation ab-initio. / For energy storage applications, fossils energies are difficult to compete. By storing energy in capacitors, one can get a huge electric power. However the density of energy in a capacitor is too weak to be interesting in energy storage application. The present thesis aims to understand the well known core-shell system in ferroelectric nano-ceramics and the influence of the geometry of the grain in order to determine and optimize the density of energy in this kind of dielectric, going toward an ultra-capacitor of ceramics. We have first developed an effective-medium core-shell model. By introducing this model in the phenomenological Landau Free energy of several ferroelectrics, we can get quantitative information about of density of energy in these materials. Our calculation for common ferroelectrics has shown that the density of energy remains too weak to become interesting. However, the density of energy can be optimized by using nano-disks or nano-rods in a structured ceramic. Our model agrees well with experimental results, even with extrinsic phenomena like the Maxwell-Wagner relaxation. To go further, we have modeled the BaTiO3 core-shell system using an effective Hamiltonian. The model shows that a new order parameter is observed in the core-shell system namely the toroidal moment. This order affects the dielectrics behavior of coated dots, and for important coating can lead to significant differences with Landau predictions. Moreover, by introducing the toroidal moment in Landau formalism, we can predict the disappearance of the orthorhombic phase in BaTiO3.The synthesis of homogenized cubic BaTiO3 particles, allowed us to make experimental measurement. The combination of RX, Dielectric and Raman measurements lead to a phase diagram for BaTiO3 that can be explain by the presence of a toroidal moment.

Dans le contexte de la transition énergétique, les grandes technologies de stockage d’énergie à grande échelle sont considérées comme l’une des options qui peut faciliter une pénétration élevée des sources d’énergie renouvelables. La thèse est concentrée sur l’évaluation de la mise en œuvre le Power-to-Gas sur le marché énergétique roumain, qui a enregistré une croissance significative des énergies renouvelables et les enjeux auxquels devra faire face. Après avoir établi l’approche générale, les deux voies techniques du Power-to-Gas, l’Hydrogène et SNG, sont techniquement dimensionnés et économiquement évalués du point de vue des investisseurs dans deux scénarios temporels (2015 et 2030), afin d’évaluer la situation économique actuelle et les prix appliqués pour atteindre une rentabilité positive. Les résultats indiquent que des facteurs de grande capacité sont nécessaires afin de compenser les coûts d’investissement élevés, mais même dans cette situation un prix élevé est nécessaire pour la faisabilité économique, 68,1 Euro / MWh pour la voie Hydrogène et 112 Euro/MWh pour Power-to Gas SNG. Le marché d’équilibrage est également étudié comme un marché à haute valeur ajoutée dans le contexte français, avec des résultats indiquant une amélioration de 4% de la NPV, mais soulignant également les limites dans le cadre de l’analyse. Un avantage significatif, en termes d’impact GWP et utilisation de l’énergie fossile, a été identifié dans l’évaluation du cycle de vie de base de plusieurs scénarios d’alimentation au gaz, qui a également révélé l’importance de la source d’électricité utilisée pour la compression d’hydrogène. / In the energy transition context, large scale energy storage technologies are considered as one of the options that can facilitate a high penetration of renewable energy sources. The Thesis focuses on evaluating the implementation of Power-to-Gas in the Romanian energy market that recorded a significant growth in the share of renewables and will potentially face the related issues. After establishing a general approach, the two technical pathways of Power-to-Gas, Hydrogen and SNG, are technically sized and economically evaluated from an investor’s point of view in two temporal scenarios (2015 and 2030), in order to assess the current economic feasibility and the required price premiums that have to be put in place in order to reach a positive business case. Results indicate that high capacity factors are needed to compensate for the high capital costs, but even in this situation price premiums are required for economic feasibility, 68.1 Euro/MWh for the Hydrogen pathway and 112 Euro/MWh for Power-to-Gas SNG. The balancing market is also investigated as a high-value market in the French context, with results indicating a 4% improvement in NPV, but also highlighting the limitations of the proposed analysis framework. A significant benefit in terms of GWP impact and fossil energy use has been identified in. the basic life cycle assessment of multiple Power-to-Gas scenarios that also revealed the importance of the source of electricity used for hydrogen compression.