L'objectif de nos travaux de thèse est de concevoir, dimensionner et fabriquer un système actif à matériaux à changement de phase (MCP) pour le rafraîchissement et réchauffement de la maison Napévomo en région Aquitaine, ce dernier participant au concours Solar Décathlon (SDE2010). L'approche proposé a pour but de fournir au lecteur suffisamment de connaissant en stockage thermique à base de MCP pour entreprendre la conception d'un système de rafraîchissement et de réchauffement d'un bâtiment passif. La démarche utilisée consisté dans un premier temps à faire l'état de l'art des systèmes de stockage thermique à base de MCP et à établir un cahier des Charges du système à concevoir. Ces données ont amèné à proposer un modèle de calcul stationnaire basé sur une approche NUT-ε moyennant la caractérisation préalable des MCP pour dimensionner et concevoir le système. Le dimensionnement étant validé en fonction des pertes de charge et le COP (coefficient de performance). Le système est fabriqué à l'échelle 1. Il est composé de quatre échangeurs Air-MCP. Chaque échangeur renferme un amas contenant de MCP. Ils sont disposés en quinconces sur des colonnes de petits tubes. Un ensemble de dispositifs expérimentaux améliorent la conductivité des MCP ainsi que l'échange thermique entre le système et son environnement. Les essais réalisés sur l'un des échangeurs montrent des résultats encourageants. Ce dernier rafraîchit l'air en 7-8 heures et il permet de régénérer les MCP en 6 heures en moyenne. Lors du concours Solar Décathlon (SDE2010), le système installé dans la maison Napévomo a montré sa capacité à assurer le rafraîchissement de l'air ambiant durant les 6 jours de la démonstraction.

Les variateurs de vitesse modernes sont exclusivement basés sur l'utilisation de moteurs triphasés alimentés par des onduleurs à modulation de largeur d'impulsion (MLI). La plupart des applications modernes de la variation de vitesse, comme les ascenseurs, les grues et les machines-outils sont caractérisées principalement par un rapport élevé entre la puissance crête et la puissance moyenne et une forte demande de freinage à la puissance nominale. Dans les variateurs de vitesse ordinaires, l'énergie de freinage, qui est de l'ordre de 30 à 50% de l'énergie consommée, est dissipé dans une résistance. Outre les problèmes " énergétiques ", les interruptions et dégradations de la tension d'alimentation ainsi que la qualité du courant d'entrée et la fluctuation de la charge, sont d'autres questions à aborder et à résoudre.Le super-condensateur dédié aux applications de conversion de puissance est ainsi proposé. Un variateur de vitesse équipé avec des super-condensateurs est présenté dans la thèse. Les super-condensateurs, interconnectés par un convertisseur DC-DC sont utilisés pour stocker et ré-injecter l'énergie de freinage. De plus, le convertisseur DC-DC contrôle le courant du redresseur et la tension du bus DC. Le THD du courant d'entrée est ramené à 30%. La tension du bus DC est élevée et en permanence contrôlée et lissée indépendamment de la charge et de la variation de la tension réseau. Pour terminer, les pics de puissance peuvent être lissés. La solution présentée est analysée théoriquement et vérifiée par un ensemble de simulations et expérimentations. Les résultats sont présentés et commentés

Des solutions innovantes doivent être développées pour envisager l'avenir des systèmes électriques face à un nombre grandissant de contraintes. En particulier, le stockage d'énergie est pressenti comme un soutien indispensable à l'essor massif dans les réseaux de distribution de sources de production exploitant les énergies renouvelables. Les présents travaux visent à apporter des éléments de réflexion sur cette option technique qui arrive à maturité et suscite l'intérêt. Dans un premier temps, des méthodes d'étude sont proposées pour cerner le potentiel et les opportunités du stockage distribué. Une grille de caractérisation des technologies est introduite et sa mise en œuvre souligne des performances intéressantes à des coûts qui, cependant, demeurent élevés. Pour rendre leur utilisation réaliste, la valeur de ces dispositifs pour les systèmes électriques est donc critique. Nous l'analysons en deux étapes : une classification de leurs services pour les différents acteurs en présence est définie avant d'aborder la mutualisation de fonctions, requise pour favoriser l'atteinte d'une rentabilité, via une approche originale. Cette démarche aboutit à l'identification de configurations porteuses qui méritent des études plus poussées. Pour ce faire, un modèle général de comportement des unités de stockage est développé dans un second temps. Interfacé à un logiciel de simulation dynamique des réseaux, il permet d'évaluer l'utilisation de telles installations pour diverses offres de services. Ces outils sont appliqués et validés expérimentalement sur la caractérisation d'une réserve impulsionnelle fournie par le stockage pour réduire les délestages dans les systèmes insulaires

Dans le contexte d'un contrat de la Délégation Générale pour l'Armement (DGA) avec la société Nexans, le CRTBT-CNRS a développé une bobine supraconductrice de stockage d'énergie, ou SMES Superconducting Magnetic Energy Storage), avec des rubans PIT Bi-2212 pour un fonctionnement à 20 K. L'utilisation d'un bobinage supraconducteur permet de stocker l'énergie électrique sous forme magnétique sans conversion d'énergie, ceci pendant des temps très longs. Le bobinage stocke 800!kJ à décharger en 1 s pour atteindre une puissance de 500 kW sur la charge, ce qui génère une tension maximale de 5 kV. La cryogénie est réalisée avec des pièces en cuivre qui relient les cryoréfrigérateurs et le bobinage, avec différence de température de 2 K au maximum. L'interface HT (Haute Tension) entre les drains et le bobinage a une tenue diélectrique de 5 kV et permet de refroidir efficacement les amenées de courant et les 26 galettes, soit 40 km de ruban. L'énergie dissipée dans le cuivre et le bobinage pendant la décharge représente 1 l'énergie stockée. Des mesures thermiques à 20 K ont été réalisées sur des échantillons pour mesurer l'interface!HT par exemple, puis sur un bobinage de dimensions réduites pour valider les solutions retenues. Le procédé de coétamage des rubans supraconducteurs développés par Nexans permet d'adapter la géométrie du conducteur à sa situation dans le bobinage. Les essais des dix premières galettes bobinées a validé la cryogénie développée. L'étude d'extrapolation pour un SMES de 20 MJ présente une géométrie torique adaptée à un refroidissement par thermosiphon avec un câble bi-étagé Rutherford / 6+1 en fils ronds de Bi-2212.

L'objectif de la thèse était d'étudier la faisabilité d'un couplage thermique entre un réservoir d'hydrure métallique et une source externe de chaleur. L'évolution des propriétés de composites à base d'hydrure de magnésium (MgH2) a été étudiée en fonction du nombre de cycles d'hydruration. On observe une très bonne stabilité de la capacité massique d'absorption sur le long terme (600 cycles réalisés). Les premiers cycles sont néanmoins marqués par une évolution importante de la microstructure qui dépend de la proportion et/ou de la nature de l'additif utilisé lors de la mécano-synthèse des poudre d'hydrure. Cette évolution est associée à une augmentation de la conductivité thermique, mais également à une légère dégradation des cinétiques intrinsèques de réaction ainsi qu'à une expansion volumique des composites. Nos mesures montrent que l'amplitude des contraintes mécaniques engendrées sur les parois d'un réservoir se stabilisent après une cinquantaine de cycles. Un réservoir contenant 10 kg de MgH2, et capable de stocker 6500 Nl d'hydrogène en 35 minutes a ensuite été développé au laboratoire. L'énergie des réactions d'absorption et de désorption est échangée avec une source externe de chaleur via un fluide caloporteur. Ce système permet de représenter l'intégration thermique d'un réservoir d'hydrure dans un système de cogénération. Un modèle numérique a été développé afin de mieux appréhender le comportement de ce réservoir. Des essais de couplage entre un réservoir de taille plus modeste et une pile à combustible haute température (SOFC) développant une puissance électrique de 1 kW ont également été réalisés au Politecnico di Torino.

L'objectif du travail décrit dans cette thèse est de développer des batteries Li-ion peu coûteuses, respectueuses de l'environnement, facilement industrialisables et recyclables, tout en utilisant des fibres cellulosiques et un procédé en milieu aqueux. Deux approches ont été adoptées pendant ce travail expérimental. Dans un premier temps, les microfibrilles de cellulose ont été utilisées pour la production d'anodes par un procédé de casting. Puis, une approche papetière a été adoptée. La plupart des travaux expérimentaux se sont focalisés sur l'utilisation de fibres de cellulose pour la production d'électrodes papier (anodes et cathodes) et de séparateurs-papier par procédé de filtration en milieu aqueux pour obtenir des cellules complètes à base de cellulose. Les électrodes obtenues sont homogènes, souples et leurs propriétés électrochimiques comparables à celles d'électrodes de références utilisant un polymère de synthèse comme liant.

L’intégration de systèmes de production décentralisés et de stockage d’énergie dansles réseaux d’électrification ferroviaires est envisagée comme une solution pour améliorerles performances électriques et énergétiques des réseaux électriques ferroviaire qui fontface à une forte augmentation de trafic. Cette solution doit permettre de réduire les coûtsd’investissement et d’exploitation des réseaux ferroviaires (moins de consommation, desrenforcements d’infrastructures limités) par rapport aux solutions conventionnelles.Ces travaux de thèse visent à définir une méthodologie de conception optimale et de gestionénergétique des systèmes de production et de stockage de l’énergie dans un environnementferroviaire. La méthodologie proposée devra constituer pour les ingénieurs une aide à laconception et au dimensionnement des futurs réseaux ferroviaires.Une méthodologie basée sur des modèles d’optimisation non linéaire a été développée.Elle propose une approche originale du traitement des charges mobiles et des dispositifsnon linéaires du réseau (sous-stations, moyens de stockage, rhéostat de freinage) pourl’optimisation. Elle permet de déterminer le dimensionnement et la loi de pilotage optimauxd’un système de stockage intégré à un réseau d’électrification ferroviaire.La méthodologie a été appliquée à une section de réseau urbain électrifiée en 1500Vcontinu. Un système de stockage d’énergie est alors utilisé pour résoudre un problème dequalité d’alimentation et réduire la consommation énergétique. Les résultats obtenus montrentles gains apportés par le stockage et fournissent un guide pour le choix du mode de stockage(batterie, supercondensateur, volant d’inertie) le plus pertinent pour l’application considérée.Des perspectives sont finalement ouvertes pour l’extension de notre méthodologie auxsystèmes de production décentralisés, aux réseaux électrifiés en courant alternatifs et auxautres types de solutions technologiques (FACTS, HVB. . . ). / Integration of decentralized production and energy storage systems into railwayelectrification networks are considered as a solution in order to improve their electrical andenergetic performances when facing a major traffic increase. This solution shall allow to reducethe investment and exploitation costs of railway networks (less energy consumption, lessreinforcement work on infrastructures) compared to conventional solutions.The work presented in this manuscript aim to define a methodology for optimal sizing andenergetic management of energy production and/or storage systems for a railway network. Theproposed methodology must help engineers while designing future railway networks.A methodology based on a non linear optimization model has been developed. A novelapproach of the modeling of mobile loads and non linear components of the network (feedingsubstations, energy storage systems, braking rheostats) is proposed for optimization process.It allows the computation of the optimal sizing and control law of an energy storage systemimplemented in a railway electrification network.This methodology has been applied to a DC 1500V electrified urban network section. Anenergy storage system has been introduced in order to solve power quality issues and to reduceenergy consumption. The results shows the benefits of the energy storage system and providesindications to choose the better energy storage system technology (batteries, super-capacitors,flywheel) for the considered application.Future developments shall be the extension of our methodology to decentralized productionsystems, AC electrified railway networks and other technological solutions (FACTS, HVB...).

Le but de ce travail était l’analyse de la capacité de carbure de silicium cubique à servir de matériau d’anode pour le fractionnement de l’eau photo-électrochimique direct. Les données récoltées (principalement la spectroscopie photo-électronique, électrochimie, Raman et spectroscopie UV-Vis) permettaient de ramener la faible efficacité de carbure de silicium cubique dopé n pour le dégagement d’oxygéne à des problèmes fondamentaux.Principalement le courant photoélectrique réalisable est limité par le flux des trous générés par photo à la surface de semi-conducteur. Comme carbure de silicium cubique est un semi-conducteur indirect, le faible coefficient d’absorption en combinaison avec une dotation élevée et une petite longueur de diffusion de trou ont été déterminés comme les facteurs limitant. Un film épitaxial additionnel de carbure de silicium n-cubique a entraîné une augmentation signifiante du courant photoélectrique maximal.La tension photoélectrique réalisable et les pertes dues aux recombinaisons dépendent principalement des propriétés de surface. L’utilisation des minces couches de catalyseur s’est révélé prometteur pour améliorer les deux propriétés même si cette technique a besoin d'optimisation parce que des états défectueux à l’interface limitent la tension photoélectrique. / The goal of this work was to investigate cubic silicon carbide as anode material for direct photoelectrochemical water splitting. From the performed measurements (mostly photoelectron spectroscopy, electrochemical measurements, Raman and UV-Vis spectroscopy) n-type cubic silicon carbide’s low oxygen evolution efficiency could be related to some fundamental problems.Primarily, the attainable photocurrent is limited by the flux of photo generated holes to the semiconductor surface. As cubic silicon carbide is a indirect semiconductor, the low absorption coefficient in combination with a high doping concentration and low hole diffusion length were determined as limiting factors. An additional epitaxial n- cubic silicon carbide film resulted in a significant improvement of the photocurrent.The obtainable photovoltage and recombination losses are mostly dependent on the surface properties. While a buried junction between the silicon carbide and a thin catalyst layer has proven to be promising for improving both properties, it still needs optimization, as Fermi level pinning from interface defect states drastically reduces the photovoltage.

L'objectif de la thèse était d'étudier la faisabilité d'un couplage thermique entre un réservoir d'hydrure métallique et une source externe de chaleur. L'évolution des propriétés de composites à base d'hydrure de magnésium (MgH2) a été étudiée en fonction du nombre de cycles d'hydruration. On observe une très bonne stabilité de la capacité massique d'absorption sur le long terme (600 cycles réalisés). Les premiers cycles sont néanmoins marqués par une évolution importante de la microstructure qui dépend de la proportion et/ou de la nature de l'additif utilisé lors de la mécano-synthèse des poudre d'hydrure. Cette évolution est associée à une augmentation de la conductivité thermique, mais également à une légère dégradation des cinétiques intrinsèques de réaction ainsi qu'à une expansion volumique des composites. Nos mesures montrent que l'amplitude des contraintes mécaniques engendrées sur les parois d'un réservoir se stabilisent après une cinquantaine de cycles. Un réservoir contenant 10 kg de MgH2, et capable de stocker 6500 Nl d'hydrogène en 35 minutes a ensuite été développé au laboratoire. L'énergie des réactions d'absorption et de désorption est échangée avec une source externe de chaleur via un fluide caloporteur. Ce système permet de représenter l'intégration thermique d'un réservoir d'hydrure dans un système de cogénération. Un modèle numérique a été développé afin de mieux appréhender le comportement de ce réservoir. Des essais de couplage entre un réservoir de taille plus modeste et une pile à combustible haute température (SOFC) développant une puissance électrique de 1 kW ont également été réalisés au Politecnico di Torino. / The main target of the thesis was to study the thermal integration of a magnesium hydride (MgH2) tank with an external heat source. At first, the evolution of material properties upon cycling were investigated. A large microstructural evolution was observed during the first cycles which impacts on kinetics of reaction and thermal conductivity. An expansion of the composites is also observed. Quantity and/or nature of the additives used during material preparation was identified as an important parameter controlling this phenomenon. Our measures show that mechanical strains on the tank wall due to this expension are stable after 40 hydrogenation cycles. A large number of cycles was applied to these composites which exhibits a very high stability upon cycling. A large scale magnesium hydride tank (10 kg MgH2) storing 6500 Nl of hydrogen in 35 minutes was developed and tested. The energy of reaction is exchanged with an external heat source by a heat transfer fluid. This installation allows to simulate the integration of a magnesium hydride tank into a co-generation system. A numerical model was developed in order to better understand and predict the behavior of this tank. A thermal integration test of the MgH2 with a high temperature fuel cell (SOFC) was performed at Politecnico di Torino.

L'objectif de cette thèse est de concevoir, d'évaluer les performances énergétiques et d'étudier le comportement en régime transitoire pendant les opérations de chauffage et de démarrage d'un procédé réversible Power To Gas qui est une solution pour l'intégration des énergies renouvelables dans le mix énergétique. L'évaluation des performances énergétiques montre que 66,7% de l'énergie électrique entrante est stockée sous forme de substitut du gaz naturel et que les pertes concernent principalement les étapes de conversion en particulier la conversion AC/DC, la co-électrolyse et la méthanation. Le déstockage de l'électricité (Gas To Power) est réalisé en inversant le RSOC en mode SOFC alimenté par le gaz de synthèse (H2 et CO) produit dans un tri-reformeur. Ce procédé est autonome énergétiquement et produit de la chaleur inexploitée qui est à l'origine de sa faible efficacité de 40%. Une étude de la réponse en régime transitoire est conduite en développant des modèles dynamiques du co-électrolyseur réversible, des réacteurs et des échangeurs par le biais de deux logiciels: Matlab et Dymola. Les résultats permettent de préciser la pénalité énergétique et de revoir l'architecture du procédé prédéfinie en régime stationnaire. Plusieurs stratégies ont été étudiées afin d'optimiser le temps de démarrage et l'énergie consommée. Il s'est avéré que le RSOC est le composant qui consomme le plus d'énergie (71% de l'énergie totale) et qui nécessite le plus de temps de démarrage (60% du temps total) à cause de la quantité du gaz utilisée pour le chauffage et du temps important qu'il faut respecter afin d'assurer une augmentation en température progressive qui évite la détérioration des cellules. / The objective of this thesis is to design, evaluate the energetic performance and study the transient behavior during heating and startup operations of a reversible process Power To Gas process which is a solution for the integration of renewable electricity in the energy mix. Steady state models are first established in Aspen plus. Assessment of energetic performance shows that 66.7% of the electrical energy is stored as a Synthetic Natural Gas and the losses are caused mainly by the converting steps: the AC/DC, co-electrolysis and methanation conversions. Electricity production (Gas to Power) is performed by reversing the RSOC in SOFC mode fueled by synthesis gas (CO and H2) produced in a tri-reformer. This process is energetically autonomous and produces untapped heat which causes its 40% low efficiency. A study of the transient response during heat-up and start-up operations is conducted through the development of dynamic models of reversible co- electrolyzer, reactors and heat exchangers by using Matlab and Dymola softwares. The results allow to specify the energetic penalty and to review the architecture of predefined process in steady state. Several strategies have been studied to optimize the time and the energy consumption. It turned out that the RSOC is the slowest component (60% of total time) with the most energetic consumption (71% of total energy) because of the amount of gas used in heat-up operation and the significant time that must be respected in order to ensure an increase in temperature that prevents the cells deterioration.