Les marchés électriques libéralisés sont supposés assurer la coordination de long terme des investissements afin de garantir sécurité d’approvisionnement, viabilité et compétitivité. Dans le modèle de référence energy-only, la formation des prix par alignement sur le coût variable de l’équipement marginal sur les marchés horaires successifs fournit un signal prix pour les investisseurs. Cependant, en pratique, ce modèle est remis en question quant à sa capacité à déclencher des investissements dans les technologies bas-carbone et en particulier les énergies renouvelables (EnR) et quant à sa capacité à garantir la sécurité d’approvisionnement. Cette thèse cherche d’abord à caractériser ces deux défaillances de marché puis s’intéresse à différentes solutions pour faire face à chacune d’entre elles. Pour cela, la réflexion s’appuie sur un modèle en System Dynamics développé afin de simuler les investissements dans les marchés électriques.D’une part, les résultats montrent que le remplacement des mécanismes de support hors marché par des investissements par le marché avec l’aide d’un prix du carbone apparait comme une solution pour déclencher le développement des EnR à condition d'un engagement politique fort en faveur d’un prix du carbone élevé. D’autre part, il apparait aussi que le marché energy-only avec des prix plafonnés ne parvient pas à assurer l’adéquation de capacité. L’ajout d’un marché de capacité ou la suppression du plafond de prix permettent une amélioration en termes de nombre d’heure de délestage et de bien-être collectif. De plus, le marché de capacité apparaît comme le meilleur choix pour le régulateur parmi les architectures de marché considérées. / In liberalised electricity systems, power markets are expected to ensure the long-term coordination of investments in order to guarantee security of supply, sustainability and competitiveness. In the reference energy-only market, it relies on the ability of power markets — where the hourly price is aligned with the marginal cost of the system — to provide an adequate price-signal for investors. However, in practice, questions have been raised about its ability to trigger investments in low-carbon technologies including in particular Renewable Energy Sources of Electricity (RES-E), and its ability to ensure capacity adequacy. After a characterisation of these market failures, this dissertation tackles the two research topics within a methodological framework based on a System Dynamics model developed to simulate private investment decisions in power markets.First, the results show that substituting out-of-market support mechanisms for RES-E by market-based investments helped by the sole implementation of a carbon price appears as a feasible solution to trigger RES-E development providing that there is a political commitment on a high carbon price. Second, it also appears that the energy-only market with price cap is ineffective to ensure capacity adequacy. Adding a capacity market or removing the price cap both bring benefits in terms of loss of load expectation and social welfare. Moreover, the capacity market is identified as the best option for regulators among the considered market designs.

L’essor des technologies renouvelable à apport variable pose des nombreuses difficultés dans le fonctionnement du système électrique. Ce système doit garantir l’équilibre offre-demande à tout moment, ainsi que d’assurer des hauts niveaux de fiabilité du service. Donc, la variabilité accroît les besoins de flexibilité et des services système. Ils existent plusieurs options capables de fournir ceux services, dont : le renforcement des interconnections, le pilotage intelligent de la demande, le renforcement des capacités de réponse rapide des unités de production, mais aussi, le mis en œuvre des technologies de stockage de l’électricité. Cependant, les marchés électriques actuels sont basés sur la rémunération de l’énergie. Donc, la valorisation intégrale des services qui peut fournir le stockage semble difficile, ce qui restreint le « business case » des options de flexibilité.Cette thèse s’inscrit autour des propos suivants : (1) modéliser et évaluer les interrelations entre variabilité, besoins de flexibilité et objectifs de décarbonation du parc électrique, (2) analyser le rôle, ainsi que la valeur, des différents technologies du stockage à travers le cas Français aux horizons 2020, 2030 et 2050, et (3) discuter sur les aspects de régulation de la flexibilité, ainsi que proposer des politique énergétiques concrètes permettant la réussite des objectifs de transition énergétique et de décarbonation du mix électrique français. / The increasing variability of electricity production in Europe, which is mainly due to the intermittent production of renewables such as wind and photovoltaic (VRE), will require significant efforts to reconcile demand and supply at all times. Thus, increasing shares of variability imply increasing amounts of system services. In addition to upgraded interconnections, demand-side management (DSM) and dispatchable backup capacity, electric energy storage (EES) technologies will have a major role to play in this context.However, due to the peculiar price formation mechanism prevailing in energy-only electricity markets, the commercial case for EES is being eroded by the very forces that create the need for its increased deployment at the system level. The private incentives of EES are thus diminishing while its social value, which is determined by the multiple system services these technologies can supply, is increasing.This thesis sets out to (1) model and assess the interplays between variability, flexibility needs and decarbonization objectives, (2) analyze the role and the value of EES technologies in view of the French official objectives by 2020, 2030 and 2050, and (3) discuss regulatory aspects, and propose a set of energy policies allowing to succeed in the energy transition and decarbonization goals.

Cette thèse s’intéresse à la gestion décentralisée à l’aide des systèmes multi-agents de l’énergie, notamment de sources renouvelables, dans le contexte des réseaux électriques intelligents (smart grids). Nos travaux de recherche visent à minimiser la facture énergétique des consommateurs en se focalisant sur deux verrous essentiels que nous nous proposons de lever : (1) résoudre le problème de l’intermittence des énergies renouvelables; (2) minimiser les pertes d’énergie. Pour pallier le problème d’intermittence des énergies renouvelables et dans le but de maintenir un coût énergétique peu onéreux même lors des pics d’utilisation, nous avons intégré un système de stockage intelligent. Nous avons, en effet, proposé des algorithmes permettant d’utiliser les systèmes de stockage intelligents et la négociation multi-agents pour réduire la facture énergétique tout en conservant un taux de décharge minimal de la batterie et une perte énergétique minimale. La validation par simulation de nos contributions a montré que celles-ci répondent aux enjeux identifiés, notamment en réduisant le coût de l’énergie pour les consommateurs en comparaison aux travaux de l’état de l’art. / This thesis focuses on the decentralized management using multi-agent systems of energy, including renewable energy sources, in the smart grid context. Our research aims to minimize consumers’ energy bills by answering two key challenges: (1) handle the problem of intermittency of renewable energy sources; (2) reduce energy losses. To overcome the problem of renewable resources intermittency and in order to minimize energy costs even during peak hours, we integrated an intelligent storage system. To this end, we propose many algorithms in order to use intelligent storage systems and multi-agent negotiation algorithm to reduce energy cost while maintaining a minimal discharge rate of the battery and minimal energy loss. The validation of our contributions has shown that our proposals respond to the identified challenges, including reducing the cost of energy for consumers, in comparison to the state of the art.

Sur un exemple concret d’entreprise française disposant des technologies innovantes dans les domaines du chauffage et de la distribution d’eau et ayant un projet d’expansion vers un nouveau marché, en l’occurrence, le marché russe, l’auteur montre l’importance de ces technologies pour accéder au marché fortement différent du marché domestique. Au sein du secteur du chauffage dans un pays où, à cause des conditions climatiques froides, le besoin de se chauffer présente un besoin vital, où le retard technologique dû au phénomène historique du monopole du chauffage central collectif est particulièrement ressenti et où le marché est en pleine formation avec la montée de la concurrence, les technologies nouvelles ont sans doute un rôle capital à jouer. Comment l’entreprise porteuse de ces technologies doit-t-elle aborder le marché russe certes très prometteur, mais fragile surtout en cette période délicate de la crise économique mondiale? Quels en sont les risques et les perspectives ? Comment réussir ce marché ? Comment mettre en valeur et transférer de nouvelles solutions technologiques ? Quels sont les avantages de ce transfert pour l’entreprise, mais également pour son partenaire local, pour la région visée et pour l’Etat receveur ? Telles sont les questions que l’auteur se pose. Le rôle des technologies nouvelles va certainement au-delà d’un secteur ou d’un domaine d’activité : les technologies nouvelles apportées par des entreprises occidentales ont sans doute accéléré, en ce qui concerne la Russie, le passage d’un système économique du type soviétique vers un système de libre-échange que l’on connait sous le terme d’économie de marché. / On a specific example of a French company having innovative technologies in the field of heating and water distribution, and realizing an expansion project to a new market, in this case, the Russian market, the author shows the importance of technologies when penetrating a market strongly different from the domestic one. Within the heating sector in the country where, because of a cold climate, the need to feel warm is a vital need, where the technological backwardness due to the historical phenomenon of the central residential heating monopoly is obvious, and where market is taking shape and competition is now growing, new technologies have without doubt a capital part to play. How should a company with such technologies approach the Russian market certainly very promising, but also fragile especially in this delicate period of the world economic crisis? What are the risks and the perspectives for the company? How to succeed in this market? How to enhance the value and to transfer new technological solutions? What advantages does this transfer bring to the company, but also to the company’s local partner, to the targeted region, and to the receiving country? These are questions the author asks himself. The role of new technologies is certainly beyond a sector or a field of activity: the new technologies brought by western companies undoubtedly accelerated, as Russia is concerned, the change from the Soviet-type economic system to a free-market system, known as the market economy.

Les procédés conventionnels de transformation thermique de la biomasse sont conçus pour la production d’huiles ou de gaz riches en CO, CO2, H2 et hydrocarbures légers à des fins énergétiques ou chimiques. Le pilote de pyrolyse rapide utilisé dans cette étude comporte un réacteur cyclone, chauffé à ses parois, et capable de mettre en oeuvre la pyroliquéfaction ou la pyrogazéification par le simple jeu des conditions opératoires. Les produits de réaction (charbon, huiles et gaz) sont récupérés et analysés. Les bilans de matière massiques et élémentaires (C, H, O) bouclent de façon très satisfaisante. Les basses températures de paroi et faibles débits de gaz vecteur favorisent la pyroliquéfaction. La production d’huiles augmente avec le débit de biomasse. La taille des particules a une faible influence sur les sélectivités en gaz, liquides et charbon. Un modèle de fonctionnement du cyclone est établi en tenant compte de l’hydrodynamique des phases gaz et solide ainsi que des lois de transferts de chaleur paroi-gaz et paroi-solides dans le cyclone. Ce modèle inclut également un schéma cinétique de pyrolyse rapide intégré dans un modèle de décomposition de la particule, ainsi qu’un modèle de craquage des vapeurs. Validé successivement sur la cellulose puis sur le bois, il permet de prédire les variations des sélectivités en fonction des conditions opératoires. Le modèle montre que les réactions de craquage se déroulent majoritairement dans une mince couche limite proche des parois chaudes. On propose deux lois générales (pyrogazéification et pyroliquéfaction) regroupant les différents paramètres opératoires contrôlant les performances du réacteur / The usual processes of biomass thermal upgrading are designed for the production of bio-oils or of gases rich in CO, CO2, H2 and light hydrocarbons for energy or chemical productions. The laboratory-scaled set-up used in this study includes a cyclone reactor, heated at its walls and able to carry out the fast pyroliquefaction or pyrogazeification by simply changing the operating conditions. The reaction products (charcoal, liquids and gases) are recovered and analyzed. The masses and elementary (C, H, O) balances closures are very accurate. Pyroliquefaction conditions are favoured by low walls temperatures and small carrier gas flowrates. The bio-oils fractions increase with the biomass flowrate. The particles size has only a weak influence on gas, liquids and charcoal selectivities. A model representing the cyclone behaviour is established by taking into account the hydrodynamics of the gases and solids, and the wall-gas and wall-solids heat transfer laws inside the cyclone. This general model includes also a model of particle decomposition (scheme of fast pyrolysis in competition with heat transfers) and a model of vapours cracking. Validated successively with cellulose and then with wood, it allows to predict the variations of the selectivities according to the operating conditions. The model shows that the cracking reactions occur mainly inside a thin boundary layer close to the hot walls. Two laws (pyrogazeification and pyroliquefaction) gathering the various operational parameters that control the performances of the reactor are finally proposed

La diversification des sources d’énergies s’appuyant sur les énergies renouvelables doit contribuer à réduire la part des énergies fossiles dans la production d’électricité, en accord avec les directives européennes qui prévoient, pour la France de produire 21% de notre énergie à partir d’EnR en 2010.Les travaux rapportés dans ce mémoire s’attachent à l’industrialisation d’un procédé de gazéification de bois en vue de la production de chaleur et d’électricité. Des expériences de pyrolyse rapide de bois ont été menées sous diverses conditions expérimentales (densité de flux entre 0.9 et 6.3 MW/m², humidité entre 0 et 60%) pour comprendre et analyser les phénomènes fondamentaux impliqués lors de la gazéification du bois. Les divers produits (char, vapeurs et gaz) sont récupérés et analysés. Les résultats permettent de déterminer les rendements en chacun des produits pour différentes conditions expérimentales.La modélisation numérique du phénomène de pyrolyse du bois a ainsi été réalisée en se basant sur les données cinétiques fournies par la littérature puis comparée aux résultats expérimentaux. Même s’il n’y a pas concordance parfaite, les ordres de grandeur sont respectés. Ces modèles servent de base à la modélisation d’un réacteur de gazéification basé sur le réacteur DFB de Güssing incorporant la description hydrodynamique, la pyrolyse du bois, la gazéification du char et les réactions des vapeurs et des gaz. Ce modèle permet ainsi de déterminer l’efficacité du réacteur et ses différents paramètres opératoires.Mots clés : bois, pyrolyse, gazéification, processus élémentaires, modélisation, Güssing, énergies renouvelables, lit fluidisé circulant, génie des procédés / Diversification of energy sources based on renewable energies must contribute to reduce the share of fossil fuels in power generation, in agreement with the European directives which impose to France to generate 21% of its energy from renewable energies before 2010.The present work reported in this manuscript focus on the industrialization of a wood gasification process for the production of heat and electricity. Experiments of wood fast pyrolysis were performed under various experimental conditions (flux density between 0.9 and 6.3 MW/m2, moisture between 0 and 60%) for understanding and analysis of fundamental phenomena related to the gasification of wood. The various products (char, condensible vapours and gases) are recovered and analyzed. The results help to determine the yields of each of the products for various experimental conditions.The numerical modeling of wood pyrolysis phenomena has been achieved on the basis of kinetic data found through literature review and then compared to the experimental results. Even if there is no perfect agreement, orders of magnitude are respected. These models are used as a basis to develop a gasification reactor model for Güssing DFB reactor, including the hydrodynamics description, wood pyrolysis, char gasification, vapours and gases reactions. This model is used to determine the efficiency of the reactor and its various operating parameters

Les collectivités territoriales s’affichent comme des acteurs majeurs du secteur énergétique.Cependant, leur relation est empreinte d’une certaine ambiguïté du fait du caractère éminemmentstratégique du second. S’il apparaît qu’au début du XXe siècle les collectivités territoriales assumaient,à travers la distribution d’énergie, un véritable service public local, la réalité d’un tel caractère estaujourd’hui contestable. La nationalisation de 1946 a en effet eu pour conséquence de remettreprofondément en cause l’exercice de cette compétence, lui faisant perdre son caractère effectivementlocal. Malgré la récente libéralisation du marché de l’énergie, les collectivités territoriales ne se sontpas réapproprié ce rôle. Elles semblent toutefois trouver progressivement une nouvelle légitimité dansce domaine à la faveur des préoccupations occupant des places de plus en plus importantes que sontla sécurité d’approvisionnement et la protection de l’environnement. Ce travail se propose d’étudier lesinteractions entre les collectivités territoriales et l’énergie à travers la problématique de ladécentralisation. Le secteur énergétique, aussi stratégique soit-il n’empêche pas la mise en placed’une certaine forme de décentralisation. Les collectivités territoriales ont un rôle important à y jouermême s’il ne saurait concerner ce secteur dans sa globalité. Elles sont ainsi passées de la prise encharge d’une activité industrielle et commerciale à une implication grandissante dans le domaine del’énergie à travers le prisme environnemental. / Local authorities present themselves as key players in the energy sector. However, the relationshipbetween energy and local authorities is quite ambiguous due to the eminently strategic nature ofenergy. If, at the beginning oh the XXth century, local authorities were in charge of a real local publicservice through energy supply, the reality of such a trait is today disputable. The 1946 nationalizationled to question the real local nature of energy supply. In spite of recent energy market liberalization,local authorities could not recapture their traditional function. However, they gradually seem to find anew energy legitimacy by owing to more and more important concerns : environmental protection andenergy supply safety. This study intends to analyze interactions between local authorities and energythrough a decentralization problematic. Energy sector, as strategic as it is, does not prevent fromintroducing a certain form of decentralization. Local authorities have a key role to play, even if it doesnot concern the global energy sector. Thus, from an industrial and commercial taking on, localauthorities are becoming more and more involved in energy sector through the environmental prism.

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. / Because of the energy flexibility that they offer and their potential to reduce GHG emissions, disctrict heating (DH) networks are a tool of local energy policies in constant progression. Their develpment and/or renovation is not only a classic technico-economical question, insofar as interconnected stakeholders of local energy policies, taking into account specific objectives, are concerned by DH networks. In this context, tools which enable these different stakeholders to evaluate actions related to DH networks are essential. They must be helpful for the assessment of renovation actions, the monitoring and the evaluation of performances....Among the tools that allow theses evaluations, the modelling approaches are often too specific to a situation, a type of network, a stakeholder... The work of the thesis consists in developing a DH modeling tool that has this desired flexibility. The proposed tool "HeatGrid" can model various network architectures. At each time step, the network running is simulated via linear programming formalism. This tool can be applied either at the design stage of a DH or at the operating stage. The model based approach enables the evaluation and comparison of economic, energy and technical aspects of the DH system in different scenarios. Several examples are simulated and analyzed in order to illustrate the potential of the model.

L’évolution du contexte énergétique mondial et la lutte contre le changement climatique ont conduit à l’accroissement des capacités de production d’énergie renouvelable. Les énergies renouvelables sont caractérisées par une forte variabilité due à leur dépendance aux conditions météorologiques. La maîtrise de cette variabilité constitue un enjeu important pour les opérateurs du système électrique, mais aussi pour l’atteinte des objectifs européens de réduction des émissions de gaz à effet de serre, d’amélioration de l’efficacité énergétique et de l’augmentation de la part des énergies renouvelables. Dans le cas du photovoltaïque(PV), la maîtrise de la variabilité de la production passe par la mise en place d’outils qui permettent de prévoir la production future des centrales. Ces prévisions contribuent entre autres à l’augmentation du niveau de pénétration du PV,à l’intégration optimale dans le réseau électrique, à l’amélioration de la gestion des centrales PV et à la participation aux marchés de l’électricité. L’objectif de cette thèse est de contribuer à l’amélioration de la prédictibilité à court-terme (moins de 6 heures) de la production PV. Dans un premier temps, nous analysons la variabilité spatio-temporelle de la production PV et proposons une méthode de réduction de la non-stationnarité des séries de production. Nous proposons ensuite un modèle spatio-temporel de prévision déterministe qui exploite les corrélations spatio-temporelles entre les centrales réparties sur une région. Les centrales sont utilisées comme un réseau de capteurs qui permettent d’anticiper les sources de variabilité. Nous proposons aussi une méthode automatique de sélection des variables qui permet de résoudre les problèmes de dimension et de parcimonie du modèle spatio-temporel. Un modèle spatio-temporel probabiliste a aussi été développé aux fins de produire des prévisions performantes non seulement du niveau moyen de la production future mais de toute sa distribution. Enfin nous proposons, un modèle qui exploite les observations d’images satellites pour améliorer la prévision court-terme de la production et une comparaison de l’apport de différentes sources de données sur les performances de prévision. / The evolution of the global energy context and the challenges of climate change have led to anincrease in the production capacity of renewable energy. Renewable energies are characterized byhigh variability due to their dependence on meteorological conditions. Controlling this variabilityis an important challenge for the operators of the electricity systems, but also for achieving the Europeanobjectives of reducing greenhouse gas emissions, improving energy efficiency and increasing the share of renewable energies in EU energy consumption. In the case of photovoltaics (PV), the control of the variability of the production requires to predict with minimum errors the future production of the power stations. These forecasts contribute to increasing the level of PV penetration and optimal integration in the power grid, improving PV plant management and participating in electricity markets. The objective of this thesis is to contribute to the improvement of the short-term predictability (less than 6 hours) of PV production. First, we analyze the spatio-temporal variability of PV production and propose a method to reduce the nonstationarity of the production series. We then propose a deterministic prediction model that exploits the spatio-temporal correlations between the power plants of a spatial grid. The power stationsare used as a network of sensors to anticipate sources of variability. We also propose an automaticmethod for selecting variables to solve the dimensionality and sparsity problems of the space-time model. A probabilistic spatio-temporal model has also been developed to produce efficient forecasts not only of the average level of future production but of its entire distribution. Finally, we propose a model that exploits observations of satellite images to improve short-term forecasting of PV production.

L’objectif de cette thèse est de dimensionner et régler un système hybride de production d’énergie pour un site isolé de type insulaire, basé sur des énergies renouvelables marines. De manière préliminaire divers systèmes de production d’énergie renouvelable marine ont d’abord été étudiés et comparés de manière qualitative à des systèmes de production d’énergie classiques. Plusieurs types de système de stockage d’énergie ont également été étudiés, comparés et évalués dans le cas du site considéré. Cette analyse préliminaire a été étendue aux différents types de transmissions d’énergie offshore et de méthodes de réglage des convertisseurs associés aux sources renouvelables. A partir de l’étude des caractéristiques du site et de l’analyse statistique des ressources renouvelables (vents, courants marins) une méthode de dimensionnement des éléments du système de production est présentée, dans l’objectif de minimiser les émissions de CO2 et le coût du système sur son cycle de vie. Pour cela, une solution de gestion de la puissance basée sur la logique floue est proposée pour le type de site considéré et comparée à une solution plus classique basée sur des règles logiques. Pour finir, une étude détaillée des différentes méthodes de réglage du système hybride côté réseau est présentée. Trois niveaux de réglage sont considérés : réglage d’une source unique, réglage d’une ferme de plusieurs sources et réglage global du système hybride. Plusieurs modes de réglage sont considérés pour chaque niveau. / This PhD thesis models a renewable-based hybrid power supply system applied in an islanded context and investigates sizing and regulation strategies of such a hybrid system. First, various marine energy production technologies were reviewed and compared to common renewable resources. As well, various energy storage technologies were reviewed, compared, and evaluated to fit the chosen site characteristics. A brief investigation on offshore energy transmission and inverter regulations methods is presented. Then, a study of the site characteristics, and the availability of the different renewable energy resources in the area are presented. This energy study constitutes the basis of the proposed system sizing method, where minimizing the cost and the CO2 emissions are considered as the main objectives. Furthermore, a fuzzy logic power management approach is proposed for the islanded microgrid. Finally, a detailed study of the system components grid-side inverter regulation is presented. Three regulation levels were investigated: the single inverter, the renewable farm, and the hybrid system. In this context, different regulation strategies are considered at each level.