Ce mémoire présente l'étude d'un système de trigénération ou CCHP (combined cooling, heating and power) au gaz naturel fournissant les besoins thermiques à un immeuble à logement typique de 13 étages. Un groupe électrogène permettant de générer de l'électricité tout en fournissant de l'eau chaude assure le chauffage du bâtiment et de l'eau chaude sanitaire tandis qu'une machine à absorption ammoniac-eau permet de transformer cette chaleur en puissance frigorifique afin de climatiser le bâtiment en période chaude. Le modèle de cette machine à absorption a spécialement été conçu pour fonctionner avec une température de désorption basse et permet d'évaluer les performances de telles machines dans des situations hors design. Ce modèle a été vérifié à l'aide d'autres modèles avérés et propose des coefficients de performance de l'ordre de 0,7 à 0,8. L'évaluation des performances horaires de ce système est présentée pour une année standard sous trois climats canadiens. Ces performances sont ensuite comparées aux différentes méthodes employées pour assurer ces besoins ainsi que pour générer l'électricité supplémentaire. Les résultats démontrent d'excellentes performances même lorsque comparées aux plus récentes technologies. Les résultats passent d'une légère augmentation de la consommation de gaz naturel dans un climat chaud comme Toronto à une importante réduction dans un climat froid comme Edmonton. Ce système permet donc de combler les besoins thermiques d'un bâtiment tout en générant de l'électricité dans des périodes de pointes annuelles et possiblement journalières. Plusieurs études dont notamment l'optimisation du système et le couplage à d'autres types de bâtiment permettrait cependant de mieux évaluer les possibilités complètes de la trigénération.

Le développement scientifique actuel contribue à assurer le confort dans les bâtiments grâce à une grande variété de technologies. Une utilisation rationnelle des ressources énergétiques a un effet bénéfique sur l'économie et la protection de l'environnement. En ce qui concerne l'utilisation de la trigénération, elle devient de plus en plus répandue. La thèse porte sur l'analyse et l'optimisation de schemas hybrides d'alimentation des espaces habitables avec de l’énergie thermique. Pour une analyse cohérente il est nécessaire d'utiliser un outil qui peut égaliser les différents types d'énergie dans le système: chimique, électrique, thermique. L'étude basée sur l'analyse exergétique met en évidence les pertes d'énergie utilisable et les opportunitées de recuperation de l'energie, tout en offrant la possibilité de prendre des décisions fonctionnelles et structurelles pour accroître l'efficacité du système. Les objectifs de cette thèse sont : l'élaboration de différents schémas pour produire simultanément de l’électricité, du froid et de l’eau chaude sanitaire; l’étude et l’optimisation des machines frigorifiques à absorption et à éjection en utilisant l’approche exergétique; l’étude d'un moteur turbo diesel suralimenté; l’étude et l’optimisation du système moteur – machine à froid en utilisant l’analyse exergétique. Deux études de cas ont été développées : bilan thermique d'un bâtiment à rafraîchir, qui a permis d’estimer la puissance frigorifique à installer et bilan global d’un système de cogénération – électricité plus chauffage urbain. / The current scientific development help ensure the comfort in buildings with a large variety of technologies. Rational use of energy resources has a positive effect on the economy and protecting the environment. Concerning the trigeneration, it is becoming more and more widespread. This PhD focuses on the analysis and optimization of hybrid schemes of production and distribution of heat for buildings. For a coherent analysis it is necessary to use a tool that can equalize the different types of energy in the system: chemical, electrical, thermal. The study based on exergy analysis highlights the energy losses and opportunities for the recovery of energy, and provide ability to take functional and structural decisions to increase efficiency.In this thesis, several aspects were examined: the development of a scheme to supply several utilities: electricity, cold and hot water; the study and optimization of absorption and ejection refrigerating machines using exergy analysis; the study of a supercharged turbo diesel engine, the study and optimization of the engine – refrigerating machine system, using exergy analysis.Two case studies were performed: the energy balance of a building, which was used to estimate the cooling capacity to install and the overall performance of a cogeneration - district heating system.

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

La thèse intitulée «Contributions aux systèmes de stockage d’énergie en utilisant des systèmes à partir de sources d’énergie alternatives» propose une étude des technologies de stockage d'énergie en sachant qu'elles sont considérées comme l'une des options qui peuvent faciliter une forte pénétration de sources renouvelables. Dans ce contexte, le travail présenté vise à comprendre les défis liés au stockage de l'énergie et à développer un modèle général d'étude utilisant l'air comprimé comme moyen de stockage d'énergie.La thèse est structurée dans dix chapitres dont les quatre premiers sont consacrés à la présentation potentielle des sources d'énergie renouvelables, à l'évolution du secteur de l'énergie au cours des dernières décennies et aux technologies de stockage d'énergie, notamment sous forme d'air comprimé. Les six autres chapitres concernent les calculs thermodynamiques théoriques dans la mesure où il s'agit d'étudier les performances d'un système de stockage d'énergie hybride et de présenter un modèle mathématique contenant les étapes prises en compte dans la conversion de l'énergie renouvelable en énergie mécanique, stockées dans une forme d'air comprimé et plus tard reconvertis en électricité. De plus, ces chapitres présentent des données expérimentales obtenues sur une installation de laboratoire qui ont contribué à la validation des résultats théoriques obtenus suite à une simulation Matlab, et enfin une étude de cas pour une application à petite échelle, 30 kWh d'énergie stockée, où vise à trouver une configuration optimale. De l'ensemble du système en termes de pression de travail de l'air, analysé sous deux points de vue, technique et économique. La thèse se termine par un chapitre de conclusions générales et nous constatons qu'il reste encore quelques défis à surmonter pour que le stockage de l'énergie sous forme d'air comprimé soit une solution possible d'une perspective économique. / The thesis entitled «Contributions to energy storage using hybrid systems from alternative energy sources» proposes a study of the energy storage technologies knowing the fact that these are considered one of the options that can facilitate a high penetration of renewable sources. In this context, the presented work aims to understand challenges in terms of energy storage and to develop a general studying model using compressed air as an energy storage medium.The thesis is structured in ten chapters from which the first four are dedicated to the presentation of the renewable energy sources potential, to the energy sector evolution in the last decades and to the energy storage technologies, especially in the form of compressed air. The other six chapters are dealing with the theoretical thermodynamic calculations as far as that goes in investigating the performances of a hybrid energy storage system and presenting a mathematical model containing the steps taken into account in the renewable energy conversion into mechanical energy, stored in a form of compressed air and later reconverted into electricity. In addition these chapters present experimental data obtained on a laboratory installation which helped in validating the theoretical results obtained following a Matlab simulation, and finally a case study for a small scale application, 30 kWh of energy stored, where is aiming to find an optimal configuration of the whole system in terms of air working pressure, being analyzed from two points of view, technical and economic. The thesis ends with a chapter of general conclusions and indicates that there are still challenges that must be overcome in order to make the energy storage in a form of compressed air a feasible solution from an economic perspective.

Un nouveau procédé de trigénération thermo-hydraulique fonctionnant à partir d'énergie thermique basse température (80 à 110 °C) a été étudié pour assurer les différents besoins du secteur résidentiel. Le terme "thermo-hydraulique" se réfère à l'utilisation d'un liquide incompressible qui permet de transférer le travail hydrauliquement entre différents composants ou sous-systèmes, permettant d'améliorer l'efficacité de la chaine de conversion énergétique. Un modèle quasi-statique a été développé pour évaluer les performances énergétiques des différentes variantes du procédé. Ces calculs ont permis de définir parmi un large choix, quels fluides de travail étaient les plus appropriés. Ces calculs ont été complétés par une étude quasi-dynamique et dynamique permettant un meilleur dimensionnement du procédé. Enfin, une étude de fonctionnement annuel a été réalisée à partir du modèle quasi-statique pour évaluer l'évolution des performances ainsi que sa production d'énergie sur une année complète de fonctionnement. Ces études montrent que le couple fluide R1234yf/R1233zd semble le plus approprié à un fonctionnement en climat méditerranéen. L'étude annuelle montre qu'en considérant les données climatiques de la ville de Perpignan, le procédé permet d'amplifier l'énergie solaire collectée d'un facteur de 1,32 en moyenne et permet d'atteindre un COP solaire de 0,24 en mode rafraichissement. Quand les besoins thermiques sont satisfaits, l'intégralité de l'énergie solaire captée est valorisée pour produire de l'électricité avec un rendement moyen annuel de 4,2%. / A new process based on thermal-hydraulic conversion actuated by low-grade thermal energy (80–110 °C) is investigated and aims at providing trigeneration energy features for the residential sector. "Thermo-hydraulic" term refers to a process involving an incompressible fluid used as an intermediate medium to transfer work hydraulically between different thermal operated components or sub-systems allowing to improve the efficiency of the energy conversion chain. A model, assuming steady-state operations, is developed to assess the energy performances of different variants of this thermo-hydraulic process as well as various pairs of working fluids. These calculations were completed by a quasi-dynamic and dynamic models allowing a better sizing of the process. Finally, an annual study was realized from the quasi-static model in order to estimate the evolution of the performances as well as its power production over a complete year of functioning. For instance, in the frame of a single-family home, located in the Mediterranean region, the working fluid pair (R1234yf/R1233zd) is investigated in detail in order to estimate the annual performances. For domestic houses, the process aims at amplifying the solar energy collected by a factor of 1.32 for heating purpose, provides a cold production with a solar COP of 0.24 and generates electricity from the remaining solar energy with an efficiency of 4.2%.