La présente thèse s'inscrit dans le cadre d'un projet stratégique sur les arénas financé par le CRSNG (Conseil de Recherche en Faculté des sciences Naturelles et en Génie du Canada) qui a pour but principal le développement d'un outil numérique capable d'estimer et d'optimiser la consommation d'énergie dans les arénas et curlings. Notre travail s'inscrit comme une suite à un travail déjà réalisé par DAOUD et coll. (2006, 2007) qui a développé un modèle 3D (AIM) en régime transitoire de l'aréna Camilien Houde à Montréal et qui calcule les flux de chaleur à travers l'enveloppe du bâtiment ainsi que les distributions de températures et d'humidité durant une année météorologique typique. En particulier, il calcule les flux de chaleur à travers la couche de glace dus à la convection, la radiation et la condensation. Dans un premier temps nous avons développé un modèle de la structure sous la glace (BIM) qui tient compte de sa géométrie 3D, des différentes couches, de l'effet transitoire, des gains de chaleur du sol en dessous et autour de l'aréna étudié ainsi que de la température d'entrée de la saumure dans la dalle de béton. Par la suite le BIM à été couplé le AIM. Dans la deuxième étape, nous avons développé un modèle du système de réfrigération (REFSYS) en régime quasi-permanent pour l'aréna étudié sur la base d'une combinaison de relations thermodynamiques, de corrélations de transfert de chaleur et de relations élaborées à partir de données disponibles dans le catalogue du manufacturier. Enfin le couplage final entre l'AIM +BIM et le REFSYS a été effectué sous l'interface du logiciel TRNSYS. Plusieurs études paramétriques on été entreprises pour évaluer les effets du climat, de la température de la saumure, de l'épaisseur de la glace, etc. sur la consommation énergétique de l'aréna. Aussi, quelques stratégies pour diminuer cette consommation ont été étudiées. Le considérable potentiel de récupération de chaleur au niveau des condenseurs qui peut réduire l'énergie requise par le système de ventilation de l'aréna à été mis en évidence.

Dans le contexte énergétique actuel une vraie chasse aux économies d'énergie est ouverte, spécialement dans le secteur du bâtiment qui constitue en Europe le secteur le plus énergivore. D'un côté les innovations technologiques sont importantes et les nouvelles constructions ont des consommations très inférieures aux anciennes. De l'autre côté, le taux de renouvellement de bâtiments et des systèmes n'est pas capable d'assumer à lui seul les objectifs de réduction de consommations et d'émissions de CO2 (Kyoto, facteur 4 etc.). Ce n'est donc qu'en s'intéressant à l'existant que de tels objectifs deviennent possibles. La climatisation est aujourd'hui un enjeu car le marché est en forte croissance (renforcé aussi par le réchauffement de la planète) et le stock européen est déjà important. La Directive de performance énergétique des bâtiments s'intéresse aux systèmes de climatisation en prévoyant l'inspection périodique des systèmes de plus de 12 kW. L'inspection vise à évaluer le bon fonctionnement du système et ensuite à proposer des actions d'amélioration. La thèse cherche à déterminer et quantifier les problèmes que les principaux systèmes de climatisation rencontrent pendant leur vie du point de vue technique. Il s'agit de savoir comment les détecter, quels sont les impacts énergétiques et les effets sur le confort. Les technologies de climatisation sont nombreuses et diversifiées selon le type et les besoins spécifiques du bâtiment. On a donc retenu deux types de système à analyser, les plus courants sur le marché européen : les climatiseurs split et les groupes de production d'eau glacée. Les caractéristiques des appareils représentatifs sont celles des technologies utilisées dans les années passées et couramment présentes dans le stock. Après avoir déterminé les défauts de fonctionnement les plus courants pour ces deux types de système, les défauts sont analysés du point de vue physique puis modélisés par des outils spécifiques bâtis à partir d'une structure existante, afin de mesurer les impacts sur les performances et de déterminer les paramètres mesurables qui caractérisent chaque défaut. Ensuite, on observe les effets des défauts dans un contexte plus proche de la réalité par des simulations qui incluent la dégradation des systèmes dans des bâtiments type avec des climats de référence. Une troisième étape de ce travail consiste à relier le niveau du défaut au temps afin d'observer la dégradation progressive et de pouvoir déterminer la fréquence des actions de correction optimisée en termes d'énergie et de coût. On peut ainsi obtenir une courbe de performance pluriannuelle avec ou sans action corrective ou préventive. La modélisation est l'outil principal de cette thèse car flexible et performant pour isoler l'effet de dégradation de chaque défaut. Surtout, le problème posé constitue un cas ou la vérification expérimentale est longue et où les différents effets s'additionnent. Ceci étant, tous les éléments expérimentaux recensés dans la littérature ont été utilisés pour valider les résultas et paramétrer certains modèles.

Notre avenir énergétique doit être basé sur des énergies non polluantes ayant des ressources importantes. Les énergies renouvelables sont les meilleurs candidats mais l'intermittence de leur production nécessite de trouver des moyens de stockage efficaces et respectant l'environnement. Un système électrolyseur/pile à combustible permet de stocker l'électricité par l'intermédiaire d'un stockage sous forme de gaz et, en plus, de générer de la chaleur. L'objectif de ce travail est d'évaluer les performances d'un système autonome de production d'énergie électrique et thermique, couplant un champ photovoltaïque et un système de stockage par l'hydrogène, composé d'un électrolyseur, d'une unité de stockage de gaz et d'une pile à combustible. L'hydrogène est l'unique moyen de stockage de l'électricité. Pour réaliser cette étude, deux outils complémentaires ont été développés : un banc d'essai de 3,6 kW et un outil de simulation.<br/> Pour sélectionner le banc d'essai, une étude bibliographique rassemble les informations nécessaires au dimensionnement et au choix du système et de ses composants. La disponibilité très limitée de composants adaptés à notre application nous a contraints à développer de nouveaux appareils (électrolyseur, pile à combustible, appareil de conversion et de gestion d'énergie). Le banc d'essai réalisé est automatisé et sécurisé. L'analyse expérimentale évalue le rendement du système de stockage par l'hydrogène par la détermination des différentes pertes dans chacun des composants. Différentes modifications sont proposées pour améliorer les performances du système de stockage. L'outil de modélisation simule le fonctionnement du banc d'essai pour une charge et un site donnés. Il peut modéliser tout système à partir de résultats expérimentaux des composants. Les résultats de simulation permettent de caractériser le fonctionnement du système dans une application autonome, de déterminer ses performances et d'évaluer l'influence des différentes pertes.

Les travaux de cette thèse portent sur l'intégration d'un système à pile à combustible hybride dans un tracteur agricole. Dans notre travail, plusieurs architectures de réseaux électriques embarquées et de stratégies de gestion de l'énergie sont envisagées. Une modélisation du système complet est mise en place sous Matlab Simulink afin de pouvoir simuler les différents scénarii envisagés, de même qu'un banc de test permettant de valider les résultats issus des simulations purement numériques. L'objectif premier de ce travail est d'optimiser les flux énergétiques relatifs aux diverses sources et charges constitutives du système et ainsi de réduire la consommation du véhicule pour des cycles de mission agricoles. Cette thèse découle d'un projet de recherche commun entre le G2ELab, le CEA Grenoble et l'entreprise AGCO, implémenté en France à Beauvais qui commercialise des machines agricoles sous quatre marques : Massey Ferguson, Fendt, Valtra et Challenger.

Les contraintes environnementales de plus en plus fortes ainsi que les problèmes grandissants de la disponibilité des ressources énergétiques obligent le secteur de l'énergie non seulement à une évolution importante de ses technologies mais aussi à leurs utilisations plus rationnelles. Ce mémoire présente la synthèse de mes initiatives de recherches menées sur le stockage et le transport de l'énergie par chaleur latente essentiellement dans le domaine du froid. Les Matériaux à Changement de Phase solide-liquide sont utilisés afin de stocker l'énergie de manière efficace en bénéficiant de la chaleur latente de changement d'état. Après la caractérisation thermophysique des matériaux utilisés et l'étude de la maîtrise de la surfusion, un procédé utilisant l'encapsulation du MCP est analysé montrant son intérêt. Quelques études complémentaires plus fondamentales ont permis de mieux comprendre les phénomènes couplés de thermique et d'hydrodynamique rencontrés avec les MCP. Le changement d'état est aussi utilisé pour transporter l'énergie. Les fluides frigoporteurs diphasiques sont utilisés dans les systèmes à refroidissement indirect. Des études sur les parties génération, stockage et transport ont été menées sur des coulis de glace constitués d'un mélange de cristaux de glace dans une solution aqueuse. Ces fluides frigoporteurs secondaires offrent des avantages intéressants pour le transport d'énergie et l'amélioration des transferts dans des échangeurs de chaleur, en particulier grâce à la chaleur latente de fusion de la glace. Une meilleure gestion de l'utilisation de ces technologies est indispensable. Des analyses thermodynamiques basées non seulement sur les notions énergétiques mais aussi exergétiques permettent une optimisation intéressante du fonctionnement des procédés.

Cette thèse s'attache à l'étude du milieu interstellaire (MIS) des galaxies proches afin de mieux comprendre les processus physiques de ses composantes de gaz et de poussière. Nous nous sommes principalement concentrés sur les galaxies de faible métallicité pour étudier l'influence de l'enrichissement en métaux sur les propriétés du MIS. Les études précédentes ont montré que les densités spectrales d'énergie (SED) des galaxies à faible métallicité présentaient des différences notables avec celles des galaxies plus massives. Le rapport en masse poussière sur gaz (D/G) semble d'ailleurs dépendre de la métallicité. L'observation de ces galaxies conduit souvent à la détection d'un excès submm qui n'est pas pris en compte dans la modélisation actuelle des SEDs. Des études complémentaires sont donc nécessaires pour comprendre les phénomènes physiques liés aux différentes populations de grains de poussière responsables de l'émission IR/submm et d'en sonder les composantes froides. Nous avons adopté une approche multi-longueur d'onde pour modéliser les SEDs de 4 galaxies à faible métallicité observées avec LABOCA (870 μm). La fraction de poussière froide de ces galaxies semble être importante au regard de leur masse totale. Certains D/Gs ne correspondent pas aux prédictions des modèles d'évolution chimique et suggérent la présence de réservoirs de gaz moléculaire non détecté par les observations actuelles en HI et CO. Nous avons élargi cet échantillon à un intervalle plus varié de métallicité et montré que les contraintes submm affectent significativement la masse de poussière totale. La modélisation des galaxies riches en poussière dont les SEDs piquent généralement à grande longueur d'onde nécessite des contraintes submm pour échantillonner à la fois le pic et la pente submm de leur SED. Les galaxies à faible métallicité, quant à elles, peuvent présenter un excès en submm. Cet excès a des conséquences importantes sur la quantification de la masse de poussière et sur la caractérisation de cette poussière froide. Il nous fallait maintenant faire l'inventaire complet de cette population froide de grains et résoudre les principaux acteurs de l'émission IR et submm dans les régions massives de formation d'étoiles et dans les nuages moléculaires. Nous avons obtenu des observations LABOCA du complexe N158/N159/N160, une région intense de formation d'étoiles dans le Grand Nuage de Magellan, située au sud de 30 Doradus. La proximité du nuage de Magellan nous permet de résoudre des structures de quelques parsecs à 870 μm avec LABOCA. Cela permet d'effectuer une étude spatiale de l'évolution des SEDs à travers le complexe afin d'étudier la distribution de température des grains. Je compare également la distribution IR et submm avec les observations déjà disponibles en HI, CO et Hα afin notamment de réaliser une étude spatiale du D/G. Je présente enfin les premières images Herschel des galaxies NGC 6822 et NGC 1705 observées lors de la phase SD du télescope lancé en mai 2009. Pour NGC 6822, nous avons modélisé les SEDs de régions HII ainsi que de régions moins actives. Les SEDs des régions HII présentent des intervalles de températures plus chauds. Nous obtenons des masses de poussières importantes lorsque les graphites sont utilisés pour décrire la poussière carbonnée. L'utilisation de grains de carbone amorphe diminue ces masses de poussière. Cela semble indiquer que les modèles de SED incluant des données Herschel nécessitent l'utilisation des propriétés différentes des poussière.

La consommation énergétique, et en particulier électrique, des bâtiments est grandement influencée par le comportement de ses usagers. L'analyse de l'usage électrique au travers d'un retour d'expérience réalisé sur une plateforme bâtiment-test nous a permis d'identifier qu'il pouvait exister différentes formes de satisfactions des usagers remettant en question la notion même d'efficacité énergétique d'un bâtiment. Afin de pouvoir intégrer l'acteur humain dans la conception de systèmes complexes bâtiment, nous proposons de définir la notion d'efficacité d'usage énergétique (EUE). Cette notion repose en particulier sur la satisfaction des usagers vis à vis d'un service que l'on a pu décomposer et quantifier au travers de fonctions de satisfaction rationnelles et sensibles. Le but de cette proposition est la construction d'un diagramme de compromis Coût / Satisfaction qui se positionne à la fois comme un outil effectif d'aide à la décision pour la conception de systèmes énergétiques du bâtiment intégrant l'usager et comme outil d'aide à la sobriété énergétique.

Ces dernières années se distinguent par la prise de conscience collective de la dimension écologique à tous les niveaux ; dans l'industrie pour la conception et la gestion de la fin de vie des produits manufacturiers, dans le domaine du bâtiment, et au niveau des transports. Dans ce dernier cas, le pétrole n'est plus vu comme la source incontournable d'énergie, et des solutions de propulsion électrique ou multi-sources, dénommée " hybride ", voient le jour. Si la propulsion hybride commence à entrer dans les mentalités dans le domaine automobile, elle est encore peu présente dans le domaine de la navigation de plaisance. Avec trois sources d'énergie potentiellement disponibles, carburant, électrique et vent, et un environnement d'évolution peu contraignant, les navires représentent au premier abord un champ d'application intéressant pour ces nouvelles technologies. C'est ce que nous nous proposons d'analyser dans ce mémoire. Pour mener à bien cette étude, une démarche de dimensionnement a du être mise en place. Si différentes méthodologies ont déjà été proposées depuis le milieu des années 90 dans le domaine automobile, elles s'appuient pour la plupart sur une base limitée d'organes constitutifs de la chaîne de propulsion recherchée. Nos hypothèses de travail sont différentes. Nous proposons dans ce mémoire une méthodologie de dimensionnement itérative, basée sur une modélisation multiphysique juste nécessaire, au point de i) considérer autant que possible les flux énergétiques au sein de l'architecture de propulsion à dimensionner et ne plus dissocier flux et effort au niveau de chaque organe, ii) de proposer des modèles génériques adimensionnels associés à chaque famille d'organes. Nous appuyant sur le bond-graph et les notions de lignes de puissance et de modulation, nous procédons, et c'est original, à une optimisation couplée du dimensionnement et de la commande. La méthode proposée est appliquée à deux cas d'études : le problème de dimensionnement d'un voilier de moyenne puissance et celui d'une voiture hybride.

Le but de ce travail de thèse est d'explorer la potentialité des polymères électroactifs pour une application de récupération d'énergie mécanique ambiante.<br /><br />Les polymères électroactifs incluent la famille électronique (piézoélectrique, diélectrique...) et la famille ionique (IPMC, ionic gels...). Grâce à un état de l'art complet, six types de polymères ont été sélectionnés, modélisés analytiquement (couplage électromécanique) et caractérisés. De cette première partie comparative ressortent les polymères diélectriques à la forte densité d'énergie récupérable (1.5J.g-1). <br /><br />La seconde partie de ce travail de thèse concerne la mise en place d'un modèle analytique électro-mécano-thermique le plus fiable possible et adaptable à tous types de structures et de sollicitations. Pour ce faire, une large campagne de mesures électriques et mécaniques a été opérée afin de déterminer finement le comportement physique du matériau, les variations des paramètres intrinsèques et les pertes associées. Ce modèle analytique est validé par une série de tests sur des cas simples de structures.<br /><br />La dernière partie de ce travail de thèse concerne le développement d'une application novatrice : la récupération d'énergie mécanique au niveau du genou lors de la marche humaine. Le convertisseur a été dimensionné grâce au modèle développé, puis testé in situ. Finalement, des pistes pour la gestion électrique autonome de l'application sont proposées.

Le travail de recherche proposé est relatif au suivi de la consommation par usage afin que les clients puissent mieux maîtriser leurs consommations électriques. Ce projet de recherche consiste à identifier les charges électriques en milieu domestique à partir des mesures non intrusives faites au niveau du compteur électrique. Les informations relevées et traitées sont les courants et les tensions. Nous avons proposé une méthode innovante et performante d'identification, c'est la méthode de Matrix Pencil. Elle s'adapte à la fois aux parties transitoires que permanentes des signatures traitées. Nous proposons deux voies d'investigations complémentaires en basses fréquences et en hautes fréquences auxquelles on appliquera la méthode de Matrix Pencil pour caractériser chaque charge par un ensemble de pôles et de résidus tant en régime transitoire qu'en régime permanent. Cette technique d'identification a été implantée dans le prototype de compteur électrique réalisant les fonctions de reconnaissance et d'identification des signatures. La conception et la réalisation du prototype ont été suivies par la validation de la fonction d'identification et de reconnaissance des usages dans une maison témoin. La capacité d'identification et le niveau du taux d'erreur sont très satisfaisants. Une éventuelle amélioration technologique permettra dans le futur de réaliser une meilleure identification.