La transition énergétique est un enjeu majeur actuel et des années à venir. Parmi les défis qu'elle va soulever figure la limitation des impacts environnementaux de la production d'électricité. Pour cela, des outils d'aide à la décision, simples d'utilisation et suffisamment précis, considérant les aspects environnementaux et permettant d'optimiser les choix énergétiques futurs, doivent être mis en place. L'analyse environnementale d'une filière de conversion d'énergie est un sujet complexe. Elle comporte en effet deux niveaux. Le niveau " filière ", caractérise le profil global d'impacts environnementaux des systèmes, et le niveau " système " caractérise leurs impacts, permettant ainsi une analyse intra-filière. Pour répondre à ce besoin de caractérisation en deux niveaux, nous proposons une méthodologie générique permettant de développer des modèles d'estimation des profils environnementaux de chacune des filières et d'estimer simplement ceux des systèmes qui la composent sans avoir à réaliser une étude détaillée. Cette méthodologie repose sur la définition d'un modèle d'Analyse de Cycle de Vie paramétré prenant en compte, par Analyse Globale de Sensibilité, un large échantillon de systèmes représentatif des configurations observées en pratique au sein des filières. Dans un second temps, des modèles simplifiés estimant les performances environnementales des systèmes sont définis, en fonction de quelques paramètres clefs identifiés comme expliquant la plus grande part de variance des impacts environnementaux de la filière. Cette méthodologie de réduction de modèle a été appliquée à la filière éolienne terrestre en Europe et à la filière photovoltaïque résidentielle en France.

Les progrès réalisés dans les processus de fabrication ont mené vers un contrôle de plus en plus accru des dimensions et de la composition chimique des nanostructures, permettant l'émergence de nouveaux dispositifs appelés Nanosystèmes ElectroMécaniques ou NEMS. Outre leurs propriétés physiques et leurs caractéristiques fonctionnelles originales, leurs dimensions réduites leurs confèrent un fonctionnement peu coûteux en énergie. Ainsi, l'utilisation de l'environnement de tels dispositifs comme source d'énergie est clairement envisageable. Afin de préserver les avantages liés aux dimensions des NEMS, le système de récupération d'énergie doit aussi présenter un volume réduit. Dans ce contexte, nous étudions le potentiel des nanofils de ZnO comme éléments actifs de micro et nanosystèmes de récupération d'énergie mécanique à travers la mise au point de deux modèles physiques de nanofils. L'originalité de ces deux modèles vient de la prise en compte du couplage entre les propriétés piezoélectriques et les propriétés semiconductrices du ZnO et de ses effets dans la conversion électromécanique de l'énergie. Dans un premier temps, nous avons développé un modèle semi-analytique d'un nanofil en flexion statique. Ce modèle permet la compréhension physique des mécanismes de la conversion de l'énergie. De plus, il met en évidence les effets du couplage piezo-semiconducteur et notamment le phénomène de masquage du potentiel. Dans un deuxième temps, nous proposons un modèle de microgénérateur basé sur un réseau de nanofils de ZnO en compression. Ce modèle utilise une approche de circuit à constantes localisées. Il permet une description dynamique du problème et l'estimation de la puissance fournie par le générateur à une charge externe sous l'effet d'une force mécanique. La formation d'un contact Schottky entre le sommet des nanofils et l'électrode supérieure et son influence sur le comportement électrique du générateur sont prises en compte. Ces deux approches sont complémentaires et sont une aide pour la compréhension physique du fonctionnement des nanofils comme transducteurs électromécaniques et pour l'optimisation des propriétés des nanofils en vue de leur utilisation comme éléments actifs de nano et microgénérateurs. Finalement, nous proposons quelques pistes de réflexions pour la synthèse de nanofils et leur intégration en microsystème ainsi que pour la réalisation et la caractérisation d'un dispositif de récupération d'énergie basé sur un réseau de nanofils.

Dans les eaux naturelles ou bien dans les eaux en cours de traitement, de nombreux processus peuvent générer des espèces réactives telles que de l'oxygène singulet, des ions superoxydes,des radicaux hydroxyles, ou bien d'autres oxydants. Dans les eaux naturelles, ces processus impliquent les substances humiques ou les ions nitrates en présence de lumière et d'oxygène. Dans les eaux en cours de traitement, les procédés d'oxydation avancée sont une source de production de radicaux hydroxyle. D'autres radicaux peuvent ensuite être formés par des réactions secondaires avec la matrice inorganique des eaux. Ces réactions aboutissent à la formation de radicaux inorganiques tels que les radicaux carbonates CO3*- et les radicaux chlores Cl* (atome de chlore). La réactivité de ces derniers est mal connue. Ce travail a pour but d'étudier la réactivité des radicaux carbonates et chlores avec des pesticides de type phénylurées, utilisés comme molécules modèles, et d'identifier les produits de dégradation. Le radical carbonate a été généré par la photolyse de [Co(NH3)5CO3]+, par photosensibilisation à partir de la 4- carboxybenzophenone, de la 1-nitronaphtalène et de la duroquinone et par l'excitation UV du peroxyde d'hydrogène. Le radical chlore a été généré par l'excitation UV du peroxyde d'hydrogène. Les constantes de vitesse de réaction des radicaux carbonates et chlores avec les pesticides étudiés, ont été déterminées, après validation d'une méthode de cinétique compétitive ou par modélisation cinétique. Ces constantes sont comprises pour le radical carbonate dans l'intervalle 0,35-3,5.107 L mol-1 s-1, et dans l'intervalle 1,2-3,9.108 L mol-1 s-1 pour le radical chlore. La comparaison de la réactivité des radicaux carbonates et chlores avec celle des radicaux hydroxyles, indique un facteur de l'ordre de 1000 pour le radical carbonate et de 100 pour le radical chlore, et ceci en faveur de la réactivité des radicaux hydroxyles. Plusieurs produits de dégradation du radical carbonate ont été identifiés. Il s'agit de produits d'hydroxylation du cycle aromatique, des produits issus d'une déméthylation, un dérivé quinone imine pour le fénuron, la cassure du pont dissulfure pour le metsulfuron méthyl. La comparaison des produits de dégradation formés avec les radicaux carbonates et hydroxyles met en évidence certains produits communs aux deux processus tandis que d'autres sont plus spécifiques. Les produits issus du radical carbonate sont moins nombreux en nombre que ceux issus du radical hydroxyle.

Ces travaux de thèse traitent de l'exploitation des nombreuses propriétés chimiques, physiques et structurales qu'offre le macrocycle porphyrinique.Le premier chapitre présente la sensibilisation de lanthanides émettant dans le proche-infrarouge par un chromophore porphyrinique. La synthèse d'une porphyrine substituée par deux 8-hydroxyquinoléines, sa métallation avec des lanthanides (La, Nd, Yb et Gd) ainsi que les propriétés photophysiques de ces complexes sont présentées. La synthèse de porphyrines fonctionnalisées par des oxamates orientés de façon convergente dans le but de diminuer les désactivations non radiatives du lanthanide par vibrations des liaisons est également étudiée. Le second chapitre décrit la synthèse de porphyrines substituées par deux groupements pyridyl et éthynylpyridyl en position méso-trans. La métallation du macrocyclique porphyrinique par du Zn(II) conduit à la formation de réseaux de coordination mono- ou bi-dimensionnels dont la topologie est dépendante de la nature de la porphyrine. Le troisième chapitre présente la fonctionnalisation de surface par chimi- ou par physi-sorption d'un réseau de coordination directionnel. Dans un premier temps la synthèse de porphyrines substituées par des pyridines et des terpyridines est présentée. Puis l'adsorption de ces tectons sur une surface de graphite est décrite. Enfin une dernière partie traite de la synthèse de porphyrines fonctionnalisées par deux ou quatre bras possédant des substituants soufrés, qui après chimisorption sur une surface d'or, pourraient servir de point d'ancrage à la construction d'un réseau de coordination directionnel perpendiculaire à la surface.

Du fait de la flexibilité énergétique qu'ils offrent et de leur potentiel de diminution des émissions de GES et de polluants, les réseaux de chaleur (RdC) sont un des leviers d'actions des politiques énergétiques locales en constante progression. Leur déploiement et/ou rénovation n'est pas qu'une question technico-économique classique, dans la mesure où ils sont au cœur d'un ensemble d'acteurs interconnectés, aux objectifs spécifiques, tous parties prenantes des politiques énergétiques locales. Dans ce contexte, les outils permettant à ces différents acteurs l'évaluation des actions liées aux RdC sont très importants. Ils doivent permettre l'évaluation de scénarios de conception, d'actions de rénovation, de performance et de suivi... Parmi les outils permettant ces évaluations, les approches par modélisation sont souvent trop spécifiques à une situation, un type de réseau un acteur... Le travail réalisé consiste à développer un outils de modélisation de RdC, offrant la flexibilité recherchée. "HeatGrid" permet de modéliser des architectures de réseaux variées. A chaque pas de temps, le fonctionnement du réseau est simulé grâce au formalisme de la programmation linéaire. Cet outil peut être utilisé en phase de conception ou d'exploitation d'un réseau. L'approche de modélisation permet d'évaluer et de comparer sous les aspects économiques, énergétiques et techniques d'un RdC sous différents scénarios. Plusieurs exemples sont simulés et analysés dans le but d'illustrer le potentiel du modèle.

Le premier volet de ce travail portera sur l’expérience acquise lors d’un stage d’étude à Tokyo, au Japon, dans le groupe de recherche du Pr. Makoto Fujita, une sommité d’envergure internationale dans le domaine de l’auto-assemblage. En continuité avec les plus récents travaux du Pr. Fujita, des systèmes poreux auto-assemblés présentant des cavités fonctionnalisées ont été développés dans le but d’encapsuler des acides gras afin d’en déterminer la structure cristalline. Ces éponges ont été caractérisées par des techniques courantes telles que la spectroscopie à résonance magnétique nucléaire 1H, 13C{1H} et Cosy, la spectrométrie de masse, l’analyse élémentaire, la microscopie optique infrarouge ainsi que la diffraction des rayons X. Une autre approche employée pour obtenir de meilleures propriétés spectroscopiques fut la synthèse de dendrimères métalliques de génération 0. Un nouveau ligand de type 1,3,5-triazine a été synthétisé par une réaction typique de cyclisation de nitrile en présence catalytique d’hydrure de sodium. Des espèces mono-, bis- et trinucléaire de Ru(II) furent synthétisés ainsi que deux espèces hétérométalliques de Ru(II)/Pt(II) et de Ru(II)/Os(II). Tous les complexes obtenus furent caractérisés par spectroscopie à résonance magnétique nucléaire (1H, 13C{1H} et Cosy) à l’état liquide, par spectroscopie de masse à haute résolution et par analyse élémentaire. La génération de dihydrogène à partir de l’espèce hétérométallique a été étudiée. Les propriétés optiques et électroniques ont été analysées par spectroscopie UV-Vis, par analyse de la luminescence, du temps de vie de luminescence, par des analyses de rendement quantique ainsi que par des analyses de voltampérométrie cyclique à balayage. Finalement, dans le but d’améliorer les propriétés spectroscopiques d’absorption de complexes métalliques, nous avons synthétisé une série de polymères homo- et hétérométalliques, intégrant des ligands de type bis(2,2’:6,2’’-terpyridine). Les complexes générés furent caractérisés par diverses techniques tel que la spectroscopie à résonance magnétique nucléaire (1H, 13C{1H} et Cosy) à l’état liquide, par spectroscopie de masse à haute résolution ainsi que par analyse élémentaire. Les propriétés optiques et électroniques ont été analysées par spectroscopie UV-Vis, par analyse de la luminescence, du temps de vie de luminescence, par des analyses de rendement quantique ainsi que par des analyses de voltampérométrie cyclique à balayage. / It is well known that the self-assembly of small molecules into macromolecular species gives rise to an amplification and amelioration of their general properties. A first section on self-assembly will emphasize the acquired experience during an internship in Tokyo, Japan, in Pr. Makoto Fujita’s research group, a worldwide Figure in the area of self-assembly. Concomitant with the latest results obtained in Pr. Fujita research group on the self-assembly of molecular sponges, studies on molecular sponges with functionalized cavities will be presented. Such sponges were used to encapsulate fatty acids in order to determine their crystal structure. The sponges were characterized in different ways, such as 1H and 13C NMR, mass spectrometry, elemental analysis, optical microscopy coupled with infrared detection as well as X-ray diffraction. Another path of investigation to gain good spectroscopic properties is to synthesize metallodendrimers. A new 1,3,5-triazine ligand was synthesized by a typical nitrile cyclization in the presence of sodium hydride. Mono-, bis- and trimetallic Ru(II) species as well as heterometallic Ru(II)/Pt(II) and Ru(II)/Os(II) complexes were synthesized. All the complexes were characterized by nuclear magnetic resonance spectroscopy (1H, 13C{1H} and Cosy NMR) in the liquid state, high-resolution mass spectrometry, elemental analysis as well as X-ray diffraction in some cases. Attempts to generate H2 with the heterometallic species as catalysts have been investigated. The optical and electronic properties were also investigated by UV-Vis spectroscopy, luminescence analysis, excited state lifetimes, quantum yield efficiency and cyclic voltammetry.Finally, with the goal of having enhance light absorption, we synthesized a series of homo- and heterometallic coordination polymers with a ligand of the “back-to-back” terpyridine type. The complexes obtained were characterized by various techniques, such as nuclear magnetic resonance spectroscopy, high-resolution mass spectrometry as well as elementary analysis. The optical as well as the electronic properties were also investigated, using luminescence spectroscopy, excited state lifetime analysis, quantum yield determination and by cyclic voltammetry.

La décroissance de la consommation électrique des dispositifs électroniques leur a permis une croissance sans précédent. Néanmoins, les éléments de stockage d'énergie (piles et batteries), bien qu'ayant initialement promus ce développement, sont devenus un frein à la prolifération des microsystèmes électroniques, de part leur durée de vie limitée ainsi que des considérations environnementales (recyclage). Pour palier à ce problème, la possibilité d'exploiter l'énergie de l'environnement immédiat du dispositif a été proposée et a fait l'objet de nombreuses recherches au cours des dernières années. En particulier, la récupération d'énergie mécanique exploitant l'effet piézoélectrique est l'une des pistes les plus étudiées actuellement pour la conception de microgénérateurs autonomes capables d'alimenter les dispositifs électroniques. Par ailleurs, dans ce domaine, il a été démontré qu'un traitement non-linéaire de la tension de sortie de l'élément actif permet d'améliorer les capacités de récupération de l'énergie vibratoire. L'une de ces approches, nommée "Synchronized Switch Harvesting on Inductor" (récupération par commutation synchronisée sur inductance) et consistant en une inversion de la tension de manière synchrone avec le déplacement, s'est montrée particulièrement efficace, pouvant augmenter la quantité d'énergie récupérée par un facteur supérieur à 10. Cette dernière conduit à un processus cumulatif qui augmente artificiellement la tension de sortie de l'élément piézoélectrique ainsi qu'à une réduction du déphasage entre tension et vitesse de déplacement ; ces deux effets conduisant à l'augmentation importante des capacités de conversion. Néanmoins, l'étude des microgénérateurs d'énergie s'est quasiment toujours faite en considérant une excitation sinusoïdale, ce qui correspond rarement à la réalité. Peu de travaux expérimentaux, et encore moins théoriques, ont été menés en considérant une excitation large bande ; ceci étant d'autant plus vrai pour les dispositifs incluant un élément non-linéaire. Ainsi l'objectif de cette thèse est d'étudier le comportement des récupérateurs d'énergie piézoélectriques interfacés de manière non-linéaire. Pour ce faire, différentes approches seront envisagées, en considérant le processus de commutation comme un " auto-échantillonnage " du signal, ou en appliquant des théories d'analyse stochastique pour quantifier les performances du dispositif. Ainsi, plusieurs formes d'excitation appliquée au système pourront être analysées, permettant d'étudier la réponse du système sous des conditions plus réalistes. Toujours dans l'optique d'une implémentation réaliste, un autre objectif de cette thèse consistera à évaluer l'impact de la récupération d'énergie par couplage sismique sur la structure hôte, démontrant la nécessité d'envisager le système dans sa globalité afin de disposer de systèmes performants capables de convertir efficacement l'énergie vibratoire sous forme électrique pour un usage ultérieur.

La hiérarchisation de la puissance injectée par des sources acoustiques dans une cavité d'avion telle qu'un cockpit, en vol, revêt un caractère majeur dans le but d'en réduire le bruit intérieur. Afin de répondre à ce besoin, la nécessité de considérer la cavité dans son ensemble à l'aide d'une méthode globale se révèle importante. Au cours de cette thèse, une méthode d'identification basée sur une méthode énergétique locale, appelée MES pour Méthode Energétique Simplifiée, est utilisée. En connaissant la géométrie de la cavité, ainsi que l'absorption des matériaux qui la composent, elle permet de déterminer la puissance rayonnée par les différentes sources acoustiques à l'intérieur de la cavité, à l'aide de mesures d'intensité tridimensionnelle, et de densité d'énergie acoustique totale. Afin de tester la méthode dans un cas réel, mesurer ces quantités énergétiques s'avère alors nécessaire. Une sonde acoustique est donc conçue, fabriquée, testée et enfin validée. Basée sur quatre mesures de pressions réalisées autour d'une sphère rigide à l'aide de microphones électrostatiques déportés, elle permet de mesurer la pression et le vecteur vitesse particulaire au centre de la sphère, et d'en déduire alors l'intensité 3D et la densité d'énergie totale. Un démonstrateur est ensuite construit pour réaliser des essais. Il s'agit d'une maquette de cockpit basée sur celui de l'A380. Différents essais acoustiques et vibro-acoustiques permettent alors de démontrer la capacité de l'association formée par la méthode d'identification et la sonde à déterminer la puissance injectée par les différentes sources dans des conditions acoustiques plus ou moins sévères, avec une précision de l'ordre de 2dB. Le post-traitement à l'aide de la MES des flux acoustiques rayonnés ainsi déterminés permet également de reconstruire le champ acoustique dans la cavité, ainsi que de séparer les différentes contributions en des points d'intérêt tels que les têtes pilote et copilote.

Les grandes évolutions de la technique de systèmes embarqués au cours des dernières années ont permis avec succès la combinaison de la détection, le traitement des données, et diverses technologies de communication sans fil tout en un nœud. Les réseaux de capteurs sans fil (WSN) qui se composent d'un grand nombre de ces nœuds ont attiré l'attention du monde entier sur les établissements scolaires et les communautés industrielles, puisque leurs applications sont très répandues dans des domaines tels que la surveillance de l'environnement, le domaine militaire, le suivi des événements et la détection des catastrophes. En raison de la dépendance sur la batterie, la consommation d'énergie des réseaux de capteurs a toujours été la préoccupation la plus importante. Dans cet article, une méthode mixte est utilisée pour l'évaluation précise de l'énergie sur les réseaux de capteurs, ce qui inclut la conception d'un environnement de SystemC simulation base au niveau du système et au niveau des transactions pour l'exploration de l'énergie, et la construction d'une plate-forme de mesure d'énergie pour les mesures de nœud banc d'essai dans le monde réel pour calibrer et valider à la fois le modèle de simulation énergétique de nœud et le modèle de fonctionnement. La consommation d'énergie élaborée de plusieurs différents réseaux basés sur la plate-forme de nœud sont étudiées et comparées dans différents types de scénarios, et puis des stratégies globales d'économie d'énergie sont également données après chaque scénario pour les développeurs et les chercheurs qui se concentrent sur la conception des réseaux de capteurs efficacité énergétique. Un cadre de l'optimisation basée sur un algorithme génétique est conçu et mis en œuvre à l'aide de MATLAB pour les réseaux de capteurs conscients de l'énergie. En raison de la propriété de recherche global des algorithmes génétiques, le cadre de l'optimisation peut automatiquement et intelligemment régler des centaines de solutions possibles pour trouver le compromis le plus approprié entre la consommation d'énergie et d'autres indicateurs de performance. Haute efficacité et la fiabilité du cadre de la recherche des solutions de compromis entre l'énergie de nœud, la perte de paquets réseau et la latence ont été prouvés par réglage paramètres de l'algorithme CSMA / CA de unslotted (le mode non-beacon de IEEE 802.15.4) dans notre simulation basé sur SystemC via une fonction de coût de la somme pondérée. En outre, le cadre est également disponible pour la tâche d'optimisation basée sur multi-scénarios et multi-objectif par l'étude d'une application médicale typique sur le corps humain.

Actuellement, la principale source d'énergie embarquée dans les véhicules électriques est composée de batteries Li-ion. Cette thèse fait partie des thématiques communes de travail que mène L'ESTACA en collaboration avec le L2EP. L'objectif ce projet est d'étudier l'apport d'une source hybride composée de batteries Li-ion et des supercondensateurs, sur les performances d'un véhicule électrique urbain.Dans un premier temps, une stratégie de gestion d'energie basée sur l'approche des règles déterministes a été appliquée pour montrer l'intérêt de l'association des différentes technologies de batterie Li-ion (haute puissance, haute énergie) avec le supercondensateur en fonction de l'autonomie voulue. Cette étude nous a permis de proposer une solution optimale (poids, volume, coût..) composée d'une batterie énergétique et un supercondensateur.Dans la deuxième partie, on a suivie l'évolution du vieillissement des deux de deux batteries de type haute puissance et hautes énergie dans, respectivement, les configurations mono-source et hybride. Pour réaliser cette étude, un banc de tests, destiné au cyclage et la caractérisation des systèmes de stockage, a été utilisé. Les résultats obtenus, offriront la possibilité de se prononcer sur le type de batteries Li-ion qui pourrait être le plus intéressant pour l'alimentation des véhicules électriques