Dans la dernière décennie, plusieurs hectares de terre agricole ont été convertis à la culture intensive sur courtes rotations (CICR) de saules dans le sud du Québec (Canada). Peu d’études ont été réalisées afin de déterminer comment se comporte la dynamique du carbone organique (Corg) dans le sol suivant cette conversion. Nous avons donc comparé la quantité du Corg et de deux pools labiles de carbone (carbone extractible à l’eau chaude et les sucres aminés) entre des CICR en phase initiale d’établissement (1-2 ans) et des parcelles appariées représentant le système de culture qui prévalait avant la transformation en culture de saules (culture fourragère) et d’autres cultures d’intérêt. La même chose a été faite pour une CICR en exploitation (depuis 9 ans) à un autre site. La quantité de Corg du sol n’était pas différente entre les CICR et les parcelles sous culture fourragère. Une plus haute concentration de sucres aminés dans le Corg total des CICR en établissement, par rapport aux autres parcelles sur le même site, permet de soupçonner que les perturbations liées à l’établissement ne mènent pas à une minéralisation accrue du Corg à court terme. La proportion de sucres aminés fongiques, qui diminue théoriquement lors de perturbations, était aussi plus élevée sous la plus jeune culture. Sous la CICR de neuf ans, le Corg était redistribué dans le profil vertical et les pools labiles étaient de plus petite taille (à une profondeur de 20-40 cm) comparativement à une parcelle témoin. La conversion d’une culture fourragère en plantation de saules en CICR n’a pas mené à la formation d’un puits de carbone. L’étude laisse entrevoir qu’un tel puits pourrait être créé si la conversion se faisait à partir d’un aménagement impliquant la culture en rotation de plantes annuelles et des labours. / Over the last ten years, many hectares of short-rotation willow coppice (SRWC) have been established on abandoned agricultural lands in southern Quebec (Canada). However, few studies were conducted to determine if these changes from a conventional crop to SRWC of willows would affect the soil carbon dynamic. A preliminary paired-site study was conducted to assess the impact of this land-use conversion on soil carbon stocks and dynamics shortly after they were established (1-year and 2-year) at one site and after multiple rotations (9-year) at another site. Apart from the total soil organic carbon pool, two labile carbon pools were investigated: the hot-water extractable carbon (HWC) pool and the amino sugars (AS) pool. Willow establishment and exploitation for nine years did not bring any changes in total organic carbon compared to an abandoned hay culture. The mature SRWC displayed a redistribution of TSOC in the vertical soil profile. We also measured a higher proportion of AS, compared to other plots on the same site, in total organic carbon under the 1-year-old SRWC; especially the proportion in AS of fungi origin that theorically decrease with perturbation intensity. Proportion of AS was also elevated under 2-year-old SRWC. A possible interpretation is that establishment-linked perturbations did not shift carbon dynamic toward an increased mineralization. The mature willow plantation exhibited depletion of HWC and the more labile amino sugar (muramic acid) in the deeper soil layer (20-40cm). This case study shows that conversion from an abandoned hay culture to a SRWC did not create a carbon sink. It was also found that the 9- year old willow plantation contained higher TSOC and had better soil quality than an adjacent short-term no-till crop rotation culture.

Cette thèse s'intéresse au développement de stratégies de décalage de charge pouvant être appliquées à un parc de chauffe-eau Joule (CEJ).On propose une modélisation entrée-sortie du système que constitue le CEJ. L'idée est de concevoir un modèle précis et peu coûteux numériquement, qui pourrait être intégré dans un CEJ intelligent. On présente notamment un modèle phénoménologique multi-période d'évolution du profil de température dans le CEJ ainsi qu'un modèle de la demande en eau chaude. On étudie des stratégies d'optimisation pour un parc de CEJ dont la résistance peut être pilotée par un gestionnaire central. Trois cas de figures sont étudiés. Le premier concerne un petit nombre de ballons intelligents et présente une méthode de résolution d'un problème d'optimisation en temps discret. Puis, on s'intéresse à un parc de taille moyenne. Une heuristique gardant indivisibles les périodes de chauffe (pour minimiser les aléas thermo-hydrauliques) est présentée. Enfin, un modèle de comportement d'un nombre infini de ballon est présenté sous la forme d'une équation de Fokker-Planck. / This thesis focuses on the development of advanced strategies for load shifting of large groups of electric hot water tanks (EHWT).The first part of this thesis is dedicated to representing an EHWT as an input-output system. The idea is to design a simple, tractable and relatively accurate model that can be implemented inside a low-power computing unit embedded in a smart EHWT, for practical applications of optimization strategies. It includes in particular a phenomenological multi-period model of the temperature profile in the tank and a realistic domestic hot water consumption model.The second part focuses on the design of optimal control strategies for a group of tanks. Three use-cases are studied. The first one deals with a small number of smart and controllable EHWT for which we propose a discrete-time optimal resolution method. The second use-case adresses a medium-scale group of controllable tanks and proposes a heuristic which keeps the heating period undivided to minimize thermo-hydraulic hazards. Finally, we present the modelling of the behavior of a infinite population of tanks under the form of a Fokker-Planck equation.

Les phyllosilicates hydratés tels que les argiles sont à ce jour mal contraints thermodynamiquement. Leur domaine de stabilité, en particulier vis-à-vis de la température, est mal connu ; il est même inexistant pour certains auteurs, pour qui les argiles sont métastables. Nous utilisons un protocole expérimental dans lequel une succession d'équilibres locaux entre un fluide et des minéraux en précipitation se met en place le long d'un gradient thermique (Goffé et al., 1987). Nous obtenons ainsi une succession de minéraux néoformés à l'équilibre avec le fluide et la température, desquels nous déduisons les champs de stabilité thermique des différents assemblages minéralogiques. Les expériences ont été menées dans des systèmes chimiques simples : Mg-Al-Si-H2O (MASH), K-Al-Si-H2O (KASH), et K-Mg-Al-Si-H2O (KMASH). Les séquences de cristallisation observées le long du gradient thermique sont les mêmes lorsque les capsules contenant le matériel de départ sont interverties par rapport au gradient thermique. Cette « réversibilité » des expériences montre que les séquences de cristallisation sont bien l'expression d'un équilibre local. On observe, avec l'augmentation de température (de 200 à 350°C), les successions suivantes : smectite dioctaédrique → smectite trioctaédrique ; kaolinite → donbassite → chlorite trioctaédrique ; smectite → illite → muscovite ; ou encore kaolinite → illite + smectite → donbassite ; successions minéralogiques communément observées dans les systèmes hydrothermaux. Ces séquences expérimentales permettent de développer un modèle thermodynamique des phyllosilicates hydratés qui tient compte de l'évolution de leur état d'hydratation en fonction de la température. Ce modèle permet de mettre en évidence les champs de stabilité des argiles entre 200 et 300°C. Le dynamisme chimique et minéralogique mis en évidence dans ces systèmes expérimentaux est utilisé pour rendre compte des dissolutions/précipitations pouvant avoir lieu entre le fluide chaud et les épontes de granite dans le site de géothermie (Roche Chaude Fracturée) de Soultz-sous-Forêts, dont la pérennité dépend des éventuels changements de morphologie du réseau poreux lié à la fracturation. On constate expérimentalement que les feldspaths et les smectites forment l'ensemble du volume des silicates qui risquent le plus de précipiter, en plus des carbonates déjà décrits dans des études antécédentes et dont nous nous sommes affranchis dans cette étude.

Cette thèse s'intéresse à la modélisation et à la commande optimale de réseaux de distribution d'eau chaude avec pertes de chaleur.<br/><br/>Développement de logiciels d'aide à la compréhension du comportement dynamique du réseau, à sa gestion optimale face à des variations de données extérieures (consommations, tarifs énergétiques,...). Modélisation et optimisation du fonctionnement hydraulique et thermique du réseau, par rapport à la somme du coût de production de l'eau chaude, et du coût de fonctionnement des pompes. Exemples de simulation et d'optimisation réalisées sur des petits réseaux

Dans la dernière décennie, plusieurs hectares de terre agricole ont été convertis à la culture intensive sur courtes rotations (CICR) de saules dans le sud du Québec (Canada). Peu d’études ont été réalisées afin de déterminer comment se comporte la dynamique du carbone organique (Corg) dans le sol suivant cette conversion. Nous avons donc comparé la quantité du Corg et de deux pools labiles de carbone (carbone extractible à l’eau chaude et les sucres aminés) entre des CICR en phase initiale d’établissement (1-2 ans) et des parcelles appariées représentant le système de culture qui prévalait avant la transformation en culture de saules (culture fourragère) et d’autres cultures d’intérêt. La même chose a été faite pour une CICR en exploitation (depuis 9 ans) à un autre site. La quantité de Corg du sol n’était pas différente entre les CICR et les parcelles sous culture fourragère. Une plus haute concentration de sucres aminés dans le Corg total des CICR en établissement, par rapport aux autres parcelles sur le même site, permet de soupçonner que les perturbations liées à l’établissement ne mènent pas à une minéralisation accrue du Corg à court terme. La proportion de sucres aminés fongiques, qui diminue théoriquement lors de perturbations, était aussi plus élevée sous la plus jeune culture. Sous la CICR de neuf ans, le Corg était redistribué dans le profil vertical et les pools labiles étaient de plus petite taille (à une profondeur de 20-40 cm) comparativement à une parcelle témoin. La conversion d’une culture fourragère en plantation de saules en CICR n’a pas mené à la formation d’un puits de carbone. L’étude laisse entrevoir qu’un tel puits pourrait être créé si la conversion se faisait à partir d’un aménagement impliquant la culture en rotation de plantes annuelles et des labours. / Over the last ten years, many hectares of short-rotation willow coppice (SRWC) have been established on abandoned agricultural lands in southern Quebec (Canada). However, few studies were conducted to determine if these changes from a conventional crop to SRWC of willows would affect the soil carbon dynamic. A preliminary paired-site study was conducted to assess the impact of this land-use conversion on soil carbon stocks and dynamics shortly after they were established (1-year and 2-year) at one site and after multiple rotations (9-year) at another site. Apart from the total soil organic carbon pool, two labile carbon pools were investigated: the hot-water extractable carbon (HWC) pool and the amino sugars (AS) pool. Willow establishment and exploitation for nine years did not bring any changes in total organic carbon compared to an abandoned hay culture. The mature SRWC displayed a redistribution of TSOC in the vertical soil profile. We also measured a higher proportion of AS, compared to other plots on the same site, in total organic carbon under the 1-year-old SRWC; especially the proportion in AS of fungi origin that theorically decrease with perturbation intensity. Proportion of AS was also elevated under 2-year-old SRWC. A possible interpretation is that establishment-linked perturbations did not shift carbon dynamic toward an increased mineralization. The mature willow plantation exhibited depletion of HWC and the more labile amino sugar (muramic acid) in the deeper soil layer (20-40cm). This case study shows that conversion from an abandoned hay culture to a SRWC did not create a carbon sink. It was also found that the 9- year old willow plantation contained higher TSOC and had better soil quality than an adjacent short-term no-till crop rotation culture.

Comprendre les mécanismes moteurs et pouvoir anticiper l'impact environnemental du phénomène El Niño Oscillation Australe (ENOA) constituent des enjeux scientifiques et sociétaux de première importance, notamment pour les Pays Emergents. Dans cette thèse, nous avons documenté et contrasté la signature de différents types d'ENOA - dits canoniques et Modoki - pour plusieurs variables climatiques essentielles (température et salinité de surface, niveau de la mer, courant de surface, précipitation, vent de surface, ...), analysé la pertinence de la théorie dite de recharge / décharge, une des quatre théories majeures d'ENOA, à rendre compte ou non de la nature quasi oscillatoire de ces différents types et quantifié l'impact potentiel des modifications des caractéristiques majeures d'ENOA sur notre interprétation des tendances climatiques à 'long' terme pour ces variables climatiques essentielles.

Le CEA travaille sur des matériaux poreux - alvéolaires, composites, céramiques, etc. - et cherche à optimiser leurs propriétés pour des utilisations spécifiques. Ces matériaux, souvent composés de plusieurs constituants, ont en général une structure complexe avec une taille de pores de quelques dizaines de microns. Ils sont mis en oeuvre dans des systèmes de grande échelle, supérieure à leurs propres échelles caractéristiques, dans lesquels on les considère comme équivalents à des milieux homogènes, sans prendre en compte sa microstructure locale, pour simuler leur comportement dans leur environnement d'utilisation.Nous nous intéressons donc à la caractérisation des propriétés thermiques effectives de matériaux à microstructure hétérogène en cherchant à déterminer par méthode inverse en fonction de la température la diffusivité thermique qu'ils auraient s'ils étaient homogènes.L'identification de la diffusivité de matériaux poreux et/ou semi-transparents est rendue difficile par le couplage conducto-radiatif fort qui peut se développer rapidement dans ces milieux avec une augmentation de la température. Nous avons donc modélisé le transfert de chaleur couplé conducto-radiatif en fonction de la température au sein de matériaux poreux multiconstituants à partir de leur microstructure numérisée en voxels. Notre démarche consiste à nous appuyer sur la microstructure 3D obtenue par tomographie. Ces microstructures servent de support numérique à cette modélisation qui permet d'une part de simuler tout type d'expériences thermiques numériques - en particulier la méthode flash dont les résultats nous permettent de déduire la diffusivité thermique -, et d'autre part de reproduire le comportement thermique de ces échantillons dans leur condition d'utilisation.

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Le secteur du bâtiment recèle un fort potentiel d’amélioration de l'efficacité énergétique et de réduction de l’empreinte écologique. Dans cette optique, l’enveloppe du bâtiment joue un rôle important pour relever le défi de la transition énergétique. En effet, une bonne conception de l’enveloppe contribue efficacement à réduire la consommation d’énergie tout en réduisant les émissions de CO2 associés. Cela s’accompagne notamment d’une démarche de développement de nouveaux matériaux et principes constructifs. Ce projet de thèse s’inscrit dans ce cadre en proposant un nouveau matériau composite, qui porte sur l’association de deux matériaux innovant : composite textile mortier (TRC) et matériaux à changement de phase (MCPs). L’objectif de cette combinaison est de contribuer au développement d’éléments de façades multifonctionnelles permettant d’allier performances énergétiques, mécaniques et environnementales. Le but de notre étude est de caractériser en premier lieu, les propriétés mécaniques et thermiques de ces composites puis, d’évaluer l’impact des MCPs sur le confort thermique intérieur pour différentes configurations. Pour atteindre ces objectifs, nous avons adopté une démarche expérimentale et numérique multi échelle. Une campagne expérimentale à l’échelle du laboratoire et in-situ a été menée. En parallèle, nous avons développé un modèle numérique de paroi multicouche, couplé à un modèle de bâtiment. Enfin, nous avons exploité ce couplage pour réaliser une optimisation multicritère à base d’algorithmes génétiques. / The building sector has a great potential to improve energy efficiency and reduce the greenhouse gas emissions. Improvements to the building envelope and Innovations in building materials have the potential to achieve sustainability within the built environment. This PhD thesis focuses on the development of multifunctional façade elements in order to optimize the building energy consumption while maintaining an optimal indoor human thermal comfort. The proposed solution consist of using passive storage by means of phase change materials associated with alternative construction materials such as textile reinforced concrete (TRC). The aim of the study is to characterize mechanical and thermal properties of TRC composites and to evaluate the effect of PCMs on indoor thermal comfort. To meet these objectives, experimental devices have been set up for the characterization (at the component scale and in situ) of the mechanical and thermal behaviour of different TRC panels. In parallel, we have developed a numerical model for the prediction of wall temperature profiles. Finally, a multi-objective optimization of the façade elements is carried out using genetic algorithms to determine the better combinations able to combine the energy performance with the mechanical performance.

Le CEA travaille sur des matériaux poreux – alvéolaires, composites, céramiques, etc. – et cherche à optimiser leurs propriétés pour des utilisations spécifiques. Ces matériaux, souvent composés de plusieurs constituants, ont en général une structure complexe avec une taille de pores de quelques dizaines de microns. Ils sont mis en oeuvre dans des systèmes de grande échelle, supérieure à leurs propres échelles caractéristiques, dans lesquels on les considère comme équivalents à des milieux homogènes, sans prendre en compte sa microstructure locale, pour simuler leur comportement dans leur environnement d’utilisation.Nous nous intéressons donc à la caractérisation des propriétés thermiques effectives de matériaux à microstructure hétérogène en cherchant à déterminer par méthode inverse en fonction de la température la diffusivité thermique qu’ils auraient s’ils étaient homogènes.L’identification de la diffusivité de matériaux poreux et/ou semi-transparents est rendue difficile par le couplage conducto-radiatif fort qui peut se développer rapidement dans ces milieux avec une augmentation de la température. Nous avons donc modélisé le transfert de chaleur couplé conducto-radiatif en fonction de la température au sein de matériaux poreux multiconstituants à partir de leur microstructure numérisée en voxels. Notre démarche consiste à nous appuyer sur la microstructure 3D obtenue par tomographie. Ces microstructures servent de support numérique à cette modélisation qui permet d’une part de simuler tout type d’expériences thermiques numériques – en particulier la méthode flash dont les résultats nous permettent de déduire la diffusivité thermique –, et d’autre part de reproduire le comportement thermique de ces échantillons dans leur condition d’utilisation. / The CEA works a great deal with porous materials – carbon composites, ceramics – and aims to optimize their properties for specific uses. These materials can be composed of several constituents and generally has a complex structure with pore size of several tens of micrometers. It is used in large-scale systems that are bigger than its own characteristic scale in which they are considered as equivalent to a homogeneous medium for the simulation of its behavior in its using environment without taking into account its local morphology. We are especially interested in the effective thermal diffusivity of heterogeneous materials that we estimate as a function of temperature with the help of an inverse method by considering they are homogeneous.The identification of the diffusivity of porous and/or semitransparent materials is made difficult because of the strong conducto-radiative coupling can quickly occur when the temperature increases. We have thus modeled the coupled conductive and radiative heat transfer as a function of the temperature within porous multiconstituent materials from their morphology discretized into a set of homogeneous voxels. We have developed a methodology that consists in starting from a 3D-microstructure of the studied materials obtained by tomography. The microstructures constitute the numerical support to this modeling that renders it possible, on the one hand, to simulate any kind of numerical thermal experiments, especially the flash method whose the results render it possible to estimate the thermal diffusivity, and on the other hand, to reproduce the thermal behavior of our materials in their using conditions.