L'efficacité énergétique limite la croissance de la consommation d'énergie tout en réduisant les externalités négatives liées à la consommation d'énergie à l'échelle planétaire. C'est une solution aux défis environnementaux et énergétiques auxquels nous faisons face aujourd'hui. Actuellement, il n'existe pas de consensus quant à la manière d'estimer les gains en efficacité énergétique : la méthode utilisée dépend du but de la recherche et des données disponibles. Dans ce mémoire, nous estimons les tendances d'épargne de consommation de gaz naturel réalisées par l'efficacité énergétique des ménages québécois clients d'Énergir. Pour ce faire, nous utilisons des modèles économétriques linéaires sur des données de panel de consommation de gaz naturel des clients d'Énergir. Le coefficient de la tendance temporelle est considéré comme l'estimateur de l'efficacité énergétique. Une variable de tendance temporelle est parfois intégrée dans les modèles énergétique dans la littérature comme proxy pour les progrès techniques. Nos résultats indiquent que l'amélioration de l'efficacité énergétique permet des économies annuelles en consommation de gaz naturel de 0,72 % pour le chauffage et 2,97 % pour les autres emplois. Les régions géographiques, les volumes de gaz naturel consommés et les cohortes de construction ont une incidence sur ces tendances en efficacité énergétique. La superficie des habitations a peu d'impact sur l'efficacité énergétique. Nous avons également détecté un ralentissement de la tendance en efficacité énergétique pour la consommation de chauffage. Depuis 2013, 0,53 % d'économies de gaz naturel sont réalisées annuellement par cette utilisation finale. En conclusion, nous recommandons l'utilisation de la méthode et des résultats pour l'utilisation finale du chauffage. Pour les autres utilisations finales, nous ne recommandons pas l'utilisation de la méthode et des résultats. La fiabilité de ces estimateurs est trop faible.

Dans ce mémoire, j’évalue les implications économiques d’une électrification efficace des usages du gaz naturel. Pour ce faire, je développe un modèle dynamique en équilibre partiel des marchés du gaz naturel et de l’électricité dans lequel la demande est détaillée par service énergétique. Le modèle tient également compte des contraintes de capacité et des coûts d’ajustement du réseau électrique. L’implémentation numérique du modèle, laquelle est calibrée au contexte québécois, révèle que la transition énergétique est guidée par le prix des émissions de GES. Une transition optimale implique que les investissements dans les énergies renouvelables débutent tôt et soient répartis à travers le temps. Par ailleurs, le prix du carbone en place ne mène pas à une électrification qui permette l’atteinte des cibles du gouvernement du Québec. / In this thesis, I evaluate the economic implications of the efficient electrification of natural-gas usages. To do so, I develop a dynamic partial equilibrium model of the electricity and natural gas markets with multiple energy demands. The model accounts for the capacity constraint and adjustment cost of the electric grid. The numerical implementation, calibrated to Québec’s contexts, reveals that the electrification’s main driver is the cost of greenhouse gas emissions. An optimal transition implies that investments in renewables start early-on and are smoothed through time. Québec’s actual carbon price does not lead to an electrification pathway that satisfies the province’s emission target.

Le gaz naturel représente environ 20% de la consommation énergétique mondiale et cette part est attendue à la hausse dans les prochaines années en raison de la transition énergétique. Pour des raisons économiques et stratégiques, et afin de réguler les demandes d’énergie entre l’été et l’hiver, le gaz naturel est stocké temporairement dans des réservoirs souterrains, notamment des réservoirs aquifères. Les opérations d’injection et de soutirage du gaz mettent donc en contact des espèces gazeuses, liquides et solides, et rendent potentiellement possibles de nombreux phénomènes de transferts d’espèces chimiques d’un milieu vers un autre. Ainsi, bien que composé majoritairement de méthane (70-90%vol), le gaz naturel peut présenter des concentrations variées d’éléments trace métalliques (arsenic, mercure, plomb…). Compte tenu du caractère néfaste de ces composés, à la fois pour les installations industrielles et pour l’environnement, il est de la première importance de connaître l’impact de la composition chimique du gaz sur l’aquifère.Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse s’inscrivent dans ce contexte et ont eu pour objectif de caractériser les matrices gaz/eau/roche ainsi que les interactions qui existent entre elles, avec pour centre d’intérêt principal les éléments trace métalliques.Pour cela nous avons fait porter nos efforts sur l’optimisation (i) des conditions d’utilisation d’un banc de prélèvement ATEX, basé sur le principe de barbotage, et (ii) des méthodes de piégeages des métaux lourds puis d’analyses employées. Ce dispositif unique permet d’échantillonner les métaux présents dans un gaz naturel sous pression (100 bar maximum). Utilisé sur des sites industriels, ce banc a permis de mesurer et suivre sur plusieurs années la composition chimique en éléments trace métalliques du gaz naturel, mais aussi ponctuellement d’un biogaz et d’un biomethane. En effet, Ces deux derniers gaz ont vocation à réduire l’utilisation des énergies fossiles, celle du gaz naturel en particulier. Les biométhanes sont donc amenés à parcourir les mêmes réseaux de transport et à séjourner dans les mêmes sites de stockage que ceux utilisés pour le gaz naturel.En complément de la caractérisation de la phase gazeuse, nous nous sommes intéressés aux évolutions des compositions chimiques des phases aqueuse et minérale du stockage souterrain, sans pouvoir identifier de mécanisme de transfert spécifiquement lié aux activités de stockage de gaz. / Natural gas represents 20% of energy consumption in the world. This percentage is expected to increase in the next years due to the energy transition. For economic and strategic concerns, and in to regulate energy demand between summer and winter, natural gas might be stored in underground storages like aquifers. Consequently, injection and drawing operations favour contact between gaseous, liquid and solid species and make possible transfer phenomena of chemical species from one matrix to another. In addition, even though natural gases are composed essentially of methane (70-90%vol), they can also show various metallic trace element concentrations (mercury, arsenic, tin…). According harmful effects of these compounds on industrial infrastructures and on environment, knowing impacts of natural gas composition on aquifer storage is crucial.The different tasks of this thesis are incorporated within such a context with the objective to characterize gases-waters-rocks matrices and their potential interactions, focusing on metallic trace elements.Therefore, we have focused a part of this PhD thesis on the optimisation of conditions of use (i) of a in EX zone 0 sampler device, working according to the principle of bubbling and (ii) of trapping methodology as well as analytic methods. This unique device allows metal sampling from natural gases up to 100 bar pressure. Its use on industrial sites has permitted to measure and monitor during several years the metallic trace element chemical compositions of a natural gas and also more limited biogas and a biomethane analysis. Indeed, these two last gases are designed to reduce fossil fuel consumption particularly natural gas one. Biomethanes are led to use the same transportation network and to be temporarily stored in the same way as natural gaz. In addition of the gaseous phase, we have taken interest in the water and the mineral phases to characterize their chemical composition evolutions in time, without identify specific transfer mechanisms in touch with gas storage activity.

Les fluides employés lors du forage pétrolier pour la lubrification de l'outil de forage, l'évacuation des déblais et le maintien de la pression hydrostatique dans le puits sont composés de solides en suspension dans une huile minérale, qui contiennent également une solution aqueuse en émulsion. La formation d'hydrates de gaz dans ces fluides, rendue possible par les conditions de pression et de température du forage offshore, est suspectée d'être à l'origine de plusieurs accidents sérieux. L'objet de cette thèse est l'étude des conditions de formation et de stabilité des hydrates de gaz dans les fluides à base d'émulsion eau - dans - huile. La technique d'analyse calorimétrique différentielle a été retenue en raison de sa compatibilité avec les systèmes les plus complexes. La validité des mesures de températures de dissociation des hydrates de méthane dans les solutions de chlorure de sodium et de chlorure de calcium a été vérifiée pour des pressions comprises entre 4 et 12 MPa. L'application aux émulsions eau - dans - huile, représentant un modèle simplifié des fluides de forage, a permis de vérifier que l'état dispersé de la phase aqueuse n'influence pas de façon mesurable la thermodynamique des hydrates de méthane. Il accroît en revanche fortement la cinétique de formation et les quantités d'hydrate formé. L'application aux fluides réels confirme les résultats obtenus en émulsion. Les informations obtenues permettent de proposer un modèle phénoménologique du processus de formation des hydrates de gaz en émulsion. La modélisation a permis le calcul des limites de stabilité des hydrates de méthane en présence de divers inhibiteurs, à des pressions allant jusqu'à 70 MPa. Les diagrammes de phases isobares hydrate - sel, permettant de prédire l'efficacité de l'inhibition en fonction de la température et de la concentration, ont été établis pour le chlorure de sodium et le chlorure de calcium, pour des pressions allant de 0,25 à 70 MPa.

Les réseaux de transport de gaz naturel nécessitent des investissements très importants pour faire face à une demande toujours croissante en énergie et pour satisfaire des contraintes réglementaires de plus en plus importantes. En effet, la libéralisation des marchés gaziers a imposé aux opérateurs de transport de gaz, d'une part, des règles de transparence d'un monopole naturel pour justifier leurs dépenses et, in fine, leurs tarifs, et, d'autre part, des objectifs de fluidification du marché afin de faciliter l'accès à la concurrence des clients finaux. Ces investissements majeurs justifient l'utilisation de techniques d'optimisation permettant de réduire leurs coûts. Au vue de la présence de choix discrets en combinaison avec des contraintes physiques non linéaires, les programmes à résoudre sont des programmes d'optimisation non linéaires en nombres entiers (PNLNE) de grandes tailles. Ce type de programmes étant connu pour être particulièrement difficile à résoudre en temps polynomial (NP-difficile), des méthodes avancées d'optimisation doivent être mises en œuvre pour obtenir des réponses réalistes. Les objectifs de cette thèse sont au nombre de trois. Il s'agit d'abord de proposer une modélisation des problèmes d'investissement dans les réseaux de transport de gaz à partir des motivations du monde industriel. Il s'agit ensuite d'identifier les méthodes et algorithmes les plus adéquats pour résoudre les problèmes ainsi formulés. Il s'agit enfin d'évaluer les avantages et les inconvénients de ces méthodes à l'aide d'applications numériques sur des cas réels.

En 1968, les premières exportations de gaz naturel soviétique pénètrent le marché européen. Quarante ans plus tard, le marché gazier russo-européen représente le plus grand bassin d'échanges gaziers au monde. Toutefois, malgré les immenses réserves russes et les capacités financières des États européens, une crainte demeure: celle de voir la Russie accentuer sa présence, déjà complète en amont, en aval du marché gazier. Ainsi, Gazprom serait utilisée par le Kremlin pour acquérir le contrôle d'entreprises européennes de distribution de gaz naturel, afin de développer une menace plus efficace encore que la menace nucléaire parce qu'applicable à des durées et degrés divers: la menace énergétique. Ce mémoire se limite aux questions gazières parce que l'étendue aux autres énergies eût représenté un travail colossal inadéquat pour un mémoire de maîtrise. Mais le marché gazier russo-européen implique suffisamment de questionnements sociaux, politiques et économiques pour construire une recherche complète et précise. Le but de ce mémoire sera de déterminer s'il existe des schèmes de relations gazières avec la Russie, et, le cas échéant, comment ces schèmes se développent et influencent les relations qu'entretient Gazprom avec chacun des États partenaires. Parallèlement, et en utilisant ces schèmes, cette recherche tentera aussi de déconstruire le mythe du « danger russe » hérité de la Guerre Froide et qui politise les relations gazières. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Russie, Europe, Politique énergétique, Gaz Naturel, Sécurité de l'approvisionnement.

La pile à combustible à membrane polymère (PEMFC) est une technologie prometteuse pour la micro-cogénération et pourrait voir son marché se développer au moment de la libéralisation du marché européen de l'énergie, portée par des incitations fiscales grâce à sa relative vertu environnementale. Cette thèse vise à étudier le comportement et la conception d'une PEMFC alimentée par un mélange riche en hydrogène obtenu par reformage de gaz naturel, en situation réelle dans un bâtiment, exploitée en cogénération d'électricité et de chaleur. L'étude et l'optimisation de ce système sont menées en s'appuyant sur le fonctionnement d'un prototype réel, le RCU-4500 (4 kW électriques, 6 kW thermiques), expérimenté dans le cadre d'un projet de recherche national. En premier lieu, l'analyse approfondie du fonctionnement du prototype installé permet de comprendre qualitativement et quantitativement un exemple de ce type de système, en le situant dans son contexte technologique. Des mesures de consommation, de puissance électrique produite et de puissance thermique valorisée sont effectuées et une analyse du contrôle-commande est dressée. Une modélisation en régime permanent est développée et validée grâce aux nombreuses données expérimentales fournies par le projet. En second lieu, l'utilisation prédictive du modèle permet de proposer trois variantes de systèmes virtuels avec une nouvelle architecture et stratégie de gestion. Cela est fait en optimisant le rendement électrique puis la valorisation de la chaleur et la récupération de l'eau pour avoir un dispositif globalement autosuffisant en eau. Ces variantes s'appuient aussi sur des améliorations réelles de fonctionnement, réalisées avec succès lors d'essais sur l'une des cinq unités du projet. L'appréhension du procédé dans son ensemble, en tenant compte des interactions entre les différents sous-systèmes, est une nouveauté par rapport aux autres travaux publiés sur ce type de système.

L’efficacité énergétique limite la croissance de la consommation d’énergie tout en réduisant les externalités négatives liées à la consommation d’énergie à l’échelle planétaire. C’est une solution aux défis environnementaux et énergétiques auxquels nous faisons face aujourd’hui. Actuellement, il n’existe pas de consensus quant à la manière d’estimer les gains en efficacité énergétique : la méthode utilisée dépend du but de la recherche et des données disponibles. Dans ce mémoire, nous estimons les tendances d’épargne de consommation de gaz naturel réalisées par l’efficacité énergétique des ménages québécois clients d’Énergir. Pour ce faire, nous utilisons des modèles économétriques linéaires sur des données de panel de consommation de gaz naturel des clients d’Énergir. Le coefficient de la tendance temporelle est considéré comme l’estimateur de l’efficacité énergétique. Une variable de tendance temporelle est parfois intégrée dans les modèles énergétique dans la littérature comme proxy pour les progrès techniques. Nos résultats indiquent que l’amélioration de l’efficacité énergétique permet des économies annuelles en consommation de gaz naturel de 0,72 % pour le chauffage et 2,97 % pour les autres emplois. Les régions géographiques, les volumes de gaz naturel consommés et les cohortes de construction ont une incidence sur ces tendances en efficacité énergétique. La superficie des habitations a peu d’impact sur l’efficacité énergétique. Nous avons également détecté un ralentissement de la tendance en efficacité énergétique pour la consommation de chauffage. Depuis 2013, 0,53 % d’économies de gaz naturel sont réalisées annuellement par cette utilisation finale. En conclusion, nous recommandons l’utilisation de la méthode et des résultats pour l’utilisation finale du chauffage. Pour les autres utilisations finales, nous ne recommandons pas l’utilisation de la méthode et des résultats. La fiabilité de ces estimateurs est trop faible.

Dans un contexte environnemental fort, la législation Européenne actuelle impose aux centrales thermiques à gaz des limites d'émission à 25 ppmvd pour le monoxyde de carbone (CO) et les oxydes d'azote (NOx). L'exploitant est alors contraint de régler finement ses machines pour éviter l'imposition de pénalités financières. Afin d'orienter les opérateurs vers les réglages optimaux, un outil numérique est développé. Il a pour but de prédire les émissions polluantes avec précision (quelques ppmvd), rapidité (utilisation sur site) et pour toutes sortes de configurations (géométrie, conditions de fonctionnement). Toutefois, modéliser et simuler la formation d'espèces minoritaires dans un écoulement turbulent réactif reste, aujourd'hui encore, un challenge scientifique et numérique en raison des larges spectres spatiaux et temporels mis en jeu. La solution proposée dans cette thèse consiste à réaliser un calcul CFD (Computational Fluid Dynamics) basé sur un mécanisme réactionnel simple en vue de construire un réseau de réacteurs 0D incluant une cinétique chimique détaillée. Une méthodologie générale est présentée pour le découpage de l'écoulement en zones statistiquement homogènes qui, une fois connectées, forment un réseau de réacteurs. Deux modèles de réseaux de réacteurs sont définis et prennent ou non en compte les fluctuations turbulentes (densité de probabilité) et une distribution des temps de séjour dans chaque réacteur. Des études de sensibilité des émissions de NOx à l'hygrométrie, à la variabilité combustible et aux changements de charge sont menées. La comparaison aux mesures sur site souligne la représentativité des modèles proposés. Enfin, une nouvelle modélisation du terme source chimique moyen est introduite (méthode de tabulation du terme source chimique et nouvelle densité de probabilité) pour permettre une prédiction affinée des émissions de NOx dès le calcul CFD.

L'optimisation de l'exploitation d'un réseau de transport de gaz naturel (RTGN) est typiquement un problème d'optimisation multiobjectif, faisant intervenir notamment la minimisation de la consommation énergétique dans les stations de compression, la maximisation du rendement, etc. Cependant, très peu de travaux concernant l'optimisation multiobjectif des réseaux de gazoducs sont présentés dans la littérature. Ainsi, ce travail vise à fournir un cadre général de formulation et de résolution de problèmes d'optimisation multiobjectif liés aux RTGN. Dans la première partie de l'étude, le modèle du RTGN est présenté. Ensuite, diverses techniques d'optimisation multiobjectif appartenant aux deux grandes classes de méthodes par scalarisation, d'une part, et de procédures évolutionnaires, d'autre part, communément utilisées dans de nombreux domaines de l'ingénierie, sont détaillées. Sur la base d'une étude comparative menée sur deux exemples mathématiques et cinq problèmes de génie des procédés (incluant en particulier un RTGN), un algorithme génétique basé sur une variante de NSGA-II, qui surpasse les méthodes de scalarisation, de somme pondérée et d'ε-Contrainte, a été retenu pour résoudre un problème d'optimisation tricritère d'un RTGN. Tout d'abord un problème monocritère relatif à la minimisation de la consommation de fuel dans les stations de compression est résolu. Ensuite un problème bicritère, où la consommation de fuel doit être minimisée et la livraison de gaz aux points terminaux du réseau maximisée, est présenté ; l'ensemble des solutions non dominées est répresenté sur un front de Pareto. Enfin l'impact d'injection d'hydrogène dans le RTGN est analysé en introduisant un troisième critère : le pourcentage d'hydrogène injecté dans le réseau que l'on doit maximiser. Dans les deux cas multiobjectifs, des méthodes génériques d'aide à la décision multicritère sont mises en oeuvre pour déterminer les meilleures solutions parmi toutes celles déployées sur les fronts de Pareto. / The optimization of a natural gas transportation network (NGTN) is typically a multiobjective optimization problem, involving for instance energy consumption minimization at the compressor stations and gas delivery maximization. However, very few works concerning multiobjective optimization of gas pipelines networks are reported in the literature. Thereby, this work aims at providing a general framework of formulation and resolution of multiobjective optimization problems related to NGTN. In the first part of the study, the NGTN model is described. Then, various multiobjective optimization techniques belonging to two main classes, scalarization and evolutionary, commonly used for engineering purposes, are presented. From a comparative study performed on two mathematical examples and on five process engineering problems (including a NGTN), a variant of the multiobjective genetic algorithm NSGA-II outmatches the classical scalararization methods, Weighted-sum and ε-Constraint. So NSGA-II has been selected for performing the triobjective optimization of a NGTN. First, the monobjective problem related to the minimization of the fuel consumption in the compression stations is solved. Then a biojective problem, where the fuel consumption has to be minimized, and the gas mass flow delivery at end-points of the network maximized, is presented. The non dominated solutions are displayed in the form of a Pareto front. Finally, the study of the impact of hydrogen injection in the NGTN is carried out by introducing a third criterion, i.e., the percentage of injected hydrogen to be maximized. In the two multiobjective cases, generic Multiple Choice Decision Making tools are implemented to identify the best solution among the ones displayed of the Pareto fronts.