Le présent projet de recherche s'intègre dans une vaste étude pluridisciplinaire visant à quantifier les émissions nettes de GES suite à la mise en eau d'un réservoir hydroélectrique situé en milieu boréal. La formation du réservoir Eastmain a impliqué l'ennoiement d'un territoire de 623 km² composé de peuplements forestiers, de lacs et de tourbières. De manière plus précise, cette étude vise d'abord à quantifier les stocks de carbone des sols des cinq principaux types de formations végétales du territoire qui ont été classifiés à partir d'images SPOT. Le deuxième objectif est de déterminer les variables écologiques qui influencent la variabilité des stocks de carbone mesurés. Des expériences d'incubation in vitro ont permis de quantifier la proportion de carbone labile dans chacun des sites ainsi que la réactivité de ces stocks face à une augmentation de la température. Les résultats des différentes analyses montrent que les stocks de carbone varient significativement dans les cinq formations végétales. Les quantités de carbone les plus élevées sont associées aux peuplements de conifère à canopée fermée (CF) (12,2 kg C mˉ²) et de feuillus (FEUIL) (13,4 kg C mˉ²). Les peuplements de feux anciens (FA), feux récents (FR) et de conifère à canopée ouverte (CO) présentent des valeurs qui ne sont pas significativement différentes (4,2 à 8,5 kg C mˉ²) malgré une productivité variable (p > 0,05). Les résultats des analyses démontrent que les facteurs qui contribuent davantage à l'accumulation de carbone dans les sols sont principalement l'épaisseur de l'humus, la position du site par rapport à la pente et le dépôt. La classe de drainage et le type de végétation ont aussi une influence sur la variabilité des stocks de carbone. Au niveau de la qualité du carbone, les résultats des incubations présentent des similitudes entre les cinq types de forêts et ce, autant dans l'humus que dans l'horizon minéral (p > 0,05). La proportion de carbone labile est plus grande dans la couche organique. La qualité du carbone est plus élevée dans les sites FEUIL et CO et elle est plus faible dans les formations CF. Le potentiel de minéralisation du carbone à un même régime de température est plus élevé dans les peuplements FEUIL et CC. Ce potentiel est principalement déterminé par les stocks de carbone et non la qualité de ce dernier. En déterminant le taux de décomposition de la matière organique à l'aide de la température journalière moyenne du sol et du Q¹⁰, il a de plus été possible d'estimer la respiration hétérotrophe des sites pour la période du 8 mai au 4 octobre 2007. Les résultats indiquent que les sites de feuillus présentent le taux de respiration le plus élevé et qu'en considérant un renouvellement quotidien des apports de matière organique au sol (i.e litière et racines), cette formation a perdu plus de 2% des stocks de carbone suivie de la formation à canopée ouverte (1,58%). Les peuplements de feuillus ont donc les stocks les plus importants de carbone et un potentiel de minéralisation supérieur aux autres formations. Dans le contexte d'une perturbation de ces écosystèmes, ils seraient donc les plus susceptibles à émettre du CO₂. Cependant, en raison de leur faible représentativité sur le territoire à l'étude (<10%), les impacts seraient minimisés dans ce contexte-ci. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Carbone organique, Sols forestiers, Forêt boréale, Séquestration.

Le potentiel de production d'hydroélectricité à l'aide de micro centrales hydroélectriques est sous-exploité en Europe. L'exploitation de petites chutes d'eau, à l'aide des vis d'Archimède, est un moyen de production d'énergie renouvelable récent et en voie de développement. Cette thèse étudie les performances hydrauliques de ce type de turbine. Une première partie du travail a porté sur la mise en place d'un dispositif expérimental, à échelle réduite, permettant de tester pour des conditions hydrauliques et des paramètres géométriques variés les performances hydrauliques d'une vis d'Archimède. Un modèle théorique semi-analytique permettant de déterminer les performances de la vis a été développé puis validé à l'aide des résultats expérimentaux. Les écoulements complexes au sein de cette turbine sont étudiés par le biais d'une modélisation numérique 3D instationnaire, validée expérimentalement. La compréhension de la structure de l'écoulement a alors permis de développer un nouveau modèle théorique permettant de déterminer avec plus de précision le débit de fuite qui est à l'origine d'une perte significative de rendement. Ces résultats permettent d'envisager l'implémentation d'un modèle de dimensionnement industriel. / The potential for hydropower generation using micro-hydro plants is still under exploited in Europe. The Archimede Screw Generators are a growing technology convenient for low-head hydraulic sites. This thesis studies the hydraulic performance of this turbine. The first part of thiswork presents an experimental device using a laboratory screw scale. This device allows to test screw performance for various hydraulic conditions and geometrical parameters. A theoretical model predicting the screw performance has then been developed and validated with experimental results.The complex flows occurring within the screw are studied thanks to 3D and unsteady numerical simulations. The numerical results are validated experimentally. The insights provided on the flow structure permit to develop a new leakage model. These leakages are a major source of efficiency loss. Eventually, all these results will allow the implementation of an industrial dimensioning model.

La présence de structures de vapeur dans la machine peut provoquer des dommages structurels et altérer les performances de la turbine. Ainsi, l’étude de la cavitation dans les machines hydrauliques est d’un très grand intérêt pour les industriels. Parmi les turbines hydrauliques, les turbines Kaplan sont réputées pour leur flexibilité. En effet, l’ouverture des directrices et la position des aubes de la roue peuvent être régulées en continu pendant l’utilisation de la machine, optimisant son rendement sur une large plage de fonctionnement. En contrepartie, Cela implique la présence de jeux entre les parties fixes et mobiles des turbines Kaplanà qui conduit à des structures de cavitation supplémentaires à ce niveau des machines. Dans ce contexte, l’objectif principal de cette thèse est de développer une méthodologie numérique capable de prédire et de caractériser la cavitation dans des turbines Kaplan et son impact sur les performances de la machine. Dans cette thèse, un modèle réduit de turbine Kaplan à 5 pales a été analysé. Les équations RANS/URANS ont été résolues,modélisant l’écoulement cavitant à l’aide d’une approche homogène et d’une loi d’état de type barotrope. Tout d’abord, la méthodologie a été définie pour des conditions de fonctionnement optimales, puis elle a été testée également sur un point de fonctionnement à forte charge. La méthode numérique de prédiction de la cavitation qui a été développée a pu être validée à l’aide de données expérimentales. Les prédictions numériques des performances et de l’évolution des structures de vapeur obtenues en appliquant la nouvelle stratégie de calcul de la cavitation sont en très bon accord quantitatif et qualitatif avec les données expérimentales. Une fois que la méthodologie numérique a été définie, des analyses approfondies de l’évolution des écoulements cavitants dans la machine ont été effectuées. L’approche développée apparaît très fiable, robuste et précise. / The presence of cavitation phenomena in hydraulic machines cause several structural damages and alter the machine performances. Hence, the investigation of the cavitation in hydraulic turbine is of great industrial interest. Amongthe hydraulic turbine, Kaplan turbine are known for their flexibility. The guide vane opening and the runner blade position can be continuously regulated during machine operation maximizing the efficiency for a large range of operating conditions. This implies the presence of shroud and hub gaps that leads to additional cavitation structures in the runner. In this context, the principal aim of this thesis is the development of a numerical methodology able to predict and characterize the cavitation in Kaplan turbine and its impact on the machine performance. The analysis refers to a scale model of a 5-blades Kaplan turbine. RANS/URANS equations have been solved modeling the cavitating flow by using a homogeneous approach and a barotropic state law. The methodology have been defined for optimal operating conditions and, after has been tested also on the full load operating point. Experimental data have been used to validate the developed numerical method of cavitation prediction. The numerical predictions of the performances and the vapor structures obtained by applying the new cavitation calculations strategy are in very good quantitative and qualitative agreement with the available experimental data. Once the numerical methodology has been defined in-deep analyses of the cavitating flow evolution in the machine have been performed. The developed approach appears to be very reliable, robust and precise.

Le Vietnam est un pays en voie d’industrialisation rapide ce qui engendre une croissance élevée des besoins énergétiques. La consommation énergétique du Vietnam est en augmentation mais pas de façon égale dans tout le pays. En effet, 66.9% de la population du Vietnam vit en zone rurale en 2014. Une grande partie de la population vit encore pauvrement dans des sites isolés avec des accès très restreint aux énergies. Le Vietnam Master Power Plan VII (2011) indique que 759.986 habitations n’ont pas accès à l’électricité.Cependant, le Vietnam est un pays qui possède un grand potentiel en énergie renouvelable (l’énergie solaire, l’énergie éolienne, l’énergie hydroélectrique, l’énergie Biomasse). Le Vietnam a élaboré une stratégie de développement des énergies renouvelables, afin de mobiliser toutes les ressources pour réduire la dépendance aux combustibles fossiles. Les sites isolés se situent principalement au Nord-Ouest du Vietnam, près de la frontière avec le Laos et la Chine, où il existe un grand potentiel d’énergie hydraulique et/ou solaire. Il faut quand même signaler que ces énergies sont souvent saisonnières et, par exemple, une microcentrale hydroélectrique ne peut pas satisfaire la demande en énergie électrique lors de la saison sèche. Donc, un système utilisant deux sources d’énergies renouvelables (panneaux photovoltaïques et microcentrale hydroélectrique) est l’une des solutions optimales pour alimenter en électricité un site isolé au Vietnam. L’objectif de cette thèse est la gestion optimale de l’électricité renouvelable d'un tel système.Afin de satisfaire à une utilisation maximale, le principe de suivi du point maximum (ou Maximum Power Point Tracking – MPPT) est mis en application. Pour la chaine de conversion photovoltaïque, un contrôleur flou à une entrée est proposé afin de suivre le point de puissance maximale du panneau solaire.Pour la chaine de conversion hydroélectrique, une turbine Pelton couplée à un générateur synchrone à rotor bobiné permet d’alimenter en électricité une charge triphasée. Une plateforme d'essais est réalisée dans le laboratoire CReSTIC, IUT de Troyes pour effectuer une validation expérimentale du système de régulation d’une Microcentrale hydroélectrique.Pour la réalisation d’un système de production d’électricité hybride, un superviseur flou est conçu pour obtenir un comportement optimal du système. Après, une étude sur les avantages et inconvénients de ce type de systèmes hybrides pour un site isolé a été effectuée (amélioration de la formation des adultes, augmentation du temps de travail pendant la nuit, réduction du coût du carburant).Ce travail contribue à la connaissance d'une gestion optimale des énergies renouvelables pour site isolé en révélant les avantages et les qualités de l’utilisation des ressources d’énergie renouvelables au gouvernement et à d’autres investisseurs locaux ou internationaux au Vietnam. / As a rapidly industrializing country, the economy of Vietnam's has become very energy intensive. Thought, 66.9% of Vietnam's population lives in rural area in 2014. Many people still live in remote farming areas that are stricken with poverty. The Vietnam Master Power Plan VII (2011) indicates that still 818,947 households are not connected to the national grid, and 759,986 households do not have any access to electricity.Vietnam has high potential on renewable energy resources (Wind, Solar, Hydro, Biomass, and Geothermal). Using hybrid renewable energy system is considered to be one of the most feasible options to bring electricity to local people to improve life quality. The off-grid communities in Vietnam are located mainly in the north-west of Vietnam, near the border with Laos and China, where exist a great potential on Hydro power and/or solar power. A micro hydro power plant cannot satisfy the load demand, especially in dry season. Therefore, additional energy sources such as PV arrays have been suggested to complement power efficiency. Thus, this working discusses the pre-feasibility for small hybrid power generation system consisting of a PV generating unit with storage and a micro hydro generation unit for off-grid areas in Vietnam.The objective of this thesis is to optimize the production of renewable electricity for this type of small hybrid power generation system. For the photovoltaic conversion system, a one input fuzzy logic controller for maximum power point tracking is designed. For the Micro-hydro power plants (MHPP), a Pelton turbine is coupled to a would rotor synchronous generator to supply electricity for a three phase load. To keep the MHPP frequency and voltage outputs constant (50 Hz, 230 V) in spite of changing user loads, the controller is necessary. The experimental results of MHPP frequency and voltages control show the ability of our controller. For the realization of small hybrid power generation, a fuzzy supervisor is adapted to obtain an optimal behavior of the system. Finally, a study on the advantages of this type of hybrid system is carried out (improvement of adult training, increased night working hours, and reduction fuel costs). This thesis contributes to the knowledge of Renewable Energy (RE) by revealing the suitable usability and prospects of RE resources to the government and other local or international investors in Vietnam.

L'hydroélectricité est la première des énergies renouvelables électriques. Sa production repose en partie sur des centrales au fil de l'eau dont les capacités de modulation sont encore faiblement exploitées. Les capacités d'ajustement des centrales hydrauliques sont d'autant plus essentielles aujourd'hui que la pénétration d'énergies intermittentes dans un mix énergétique décarboné est indispensable.Dans cette thèse, nous nous intéressons aux centrales au fil de l'eau turbinant le débit de cours d'eau aux marnages limités. Les enjeux de sûreté, notamment liés au multi-usage de l'eau, ainsi que la perspective de moduler les débits turbinés nous ont amenés à considérer le problème de la modélisation des écoulements dans les canaux reliant les centrales au fil de l'eau. Les équations de Saint-Venant sont les plus pertinentes pour ce type de modélisation. Nous avons proposé plusieurs approches à partir de ces dernières pour caractériser analytiquement la dynamique de l'écoulement à des variations de débits turbinés. Nous avons considéré la dynamique du système autour d'un régime fluvial stationnaire non-uniforme caractéristique des configurations hydroélectriques. La première approche est basée sur une approximation basses fréquences. La seconde approche est basée sur une méthode de réduction de modèle avec une paramétrisation selon le débit support. Une troisième approche est proposée en considérant explicitement la recherche d'une solution approximée des équations de Saint-Venant linéarisées autour d'une configuration hydroélectrique. Un critère spatio-fréquentiel est alors introduit, l'existence d'un biais en basses fréquences nous conduit à proposer un modèle d'ordre réduit dont la dynamique basses fréquences est imposée selon les résultats de la première approche. La solution exprimée sous forme de fonctions de transfert, comme pour les deux précédentes approches, met en évidence explicitement la présence de modes de résonance/anti-résonance. Finalement, nous illustrons les résultats vis à vis de simulations non-linéaires et de données réelles et proposons une régulation de niveau basée sur cette dernière approche. / New challenges arise from energy transition toward a more sustainable energy mix. Hydropower is already the main source of renewable electricity. In order to integrate a massive increase in generation of renewable intermitent energies, improving the flexibility of run-of-the-river hydropower plants becomes essential. In this thesis, we focus on run-of-the river power plants facing water level constraints. Safety issues, partly due to the multiple uses of water, and the opportunity to modulate turbined flow rates have led us to adress the problem of flow modelisation in open channels that connect run-of-the rivers facilities with each others. An accurate model is provided by the Saint-Venant equations. From these latters, we have proposed different approaches to characterize analytically the flow dynamics in response to turbined flow variations. The system dynamics have been considered around a subcritical stationary non-uniform regime typical of hydroelectric configuration. The first approach is based on a low frequency approximation. The second approach is based on a parametric model reduction technique. By seeking explicitly an approximate solution to the linearized Saint-Venant equations around an hydroelectric configuration, we have proposed a third approach. A space-frequency criterion is introduced, which shows a bias in low frequency. Results of the first approach are then used to propose a reduced order model asymptotically exact in low frequency. As for the two other approaches, the solution takes the shape of parametric transfer functions. Resonance/anti-resonance modes explicitly appear. Finally, comparisons with non-linear simulations taking into account actual real data are discussed and a water level controller is developed based on the last approach.

En 1988, le Bassin du fleuve Sénégal au Mali a vu la mise en service d’un barrage par l’Organisation pour la Mise en Valeur du fleuve Sénégal (OMVS). L’objectif principale est la production d’énergie électrique partagée entre : le Mali (52%), le Sénégal (33%) et la Mauritanie (15%). Mais l’apparition de cet ouvrage constitue une perturbation profonde dans l’organisation et le fonctionnement des espaces riverains. Les territoires autour du Bafing, affluent où se localise le barrage, se trouvent ainsi cloisonnés en une partie amont et aval du lac de retenue. Ce dernier a insufflé une nouvelle dynamique spatiale avec l’installation récente de 25 campements de pêche.Cette nouvelle économie constitue un facteur d’attraction de pêcheurs professionnels venus des régions du Centre du Mali, particulièrement de Mopti et de Ségou. Le lac devient ainsi une immense réserve de poissons avec des tailles plus importantes par rapport à ceux capturés dans les affluents du Bafing, du Bakoye, ou même du fleuve Sénégal. En amont du barrage, la pêche devient la première activité économique poussant des jeunes agriculteurs et éleveurs «autochtones» à une reconversion professionnelle pas toujours aboutie. Les campements de pêcheurs occupent un ancien site des villages déplacés lors de la construction du barrage. Trente-trois villages sont actuellement réinstallés en aval du barrage dans le finage d’autres hameaux préexistants. Cette cohabitation bouleverse l’occupation de l’espace et entraine des tensions foncières. Certains sites comme Manantali à 5 km du barrage en sont les grands bénéficiaires. Ce village s’est transformé en un véritable « centre-rural », en accueillant les cadres et les ouvriers qualifiés et toute la main d’œuvre venus du Mali voire de l’étranger. Cet afflux d’habitants urbanisés a profondément changé la configuration du site et l’a surtout fortement ségrégué. Les bureaux de la société d’exploitation au pied du barrage, le vieux village de Manantali, les cités des ouvriers et celle des cadres sont autant de témoins d’un espace urbain en devenir, fonctionnel et très inégalitaire. Le principal objet de cette étude est l’étude des impacts du barrage de Manantali sur l’organisation socio-spatiale et physique des territoires riverains. L’entrée par une lecture des représentations sociales, consensuelles comme conflictuelles, par les habitants et les différents acteurs, est privilégiée. L’analyse des données quantitatives et des différents discours identifie les expressions tant des effets environnementaux physiques que socioéconomiques suscités par l’ouvrage. Le concept de représentations sociales est posé de la façon suivante: «les représentations forment des codes mémorisés par le cerveau, mobilisables de façon consciente et se prêtant à de multiples utilisations mentales. Ces codes servent en particulier à décrypter notre environnement géographique, mais aussi à communiquer avec autrui, à rêver, imaginer, planifier et orienter nos conduites ou nos pratiques les plus diverses» (DI MEO, 2008). Cette étude d’impact se positionne donc le domaine de la géographie sociale.Au cœur de cette étude se trouvent les acteurs, les responsables politiques à différentes échelles, et surtout l’habitant ordinaire qui vit à l’ombre du barrage de Manantali. Cette notion d’ombre doit être comprise dans la polysémie des impacts de l’ouvrage, tout autant néfastes que bénéfique, et par rapport à son aire d’influence. Les principales zones d’étude considérées se situent à « l’ombre proche » de l’ouvrage, ou à l’échelle locale, dans un rayon de 50 kilomètres autour du barrage. Il s’agit de 8 villages déplacés et anciens. Mais également des 25 campements de pêche autour du lac de retenue. / In 1988 the Senegal River basin in Mali has witnessed the building of a dam by the Organization for the Development of the Senegal River (OMVS) in French. The main objective is the production of electric power shared between: Mali (52%), Senegal (33%) and Mauritania (15%). But the birth of this dam has deeply disrupted the organization and functioning of all the waterside’s areas. The territories around the Bafing, the river where the dam is localized, are now strictlydivided by the reservoir between an upstream and downstream portions. This artificial lake has created new types of spatial organization with the recent settlements of 25 fishing camps.This new economy has created a pull factor for professional fishermen coming from the central regions of Mali, particularly Mopti and Segou. The lake hence becomes a huge fish reserve with larger sizes compared to those caught in the Bafing, the Bakoye or even in the Senegal River. In the upstream areas of the dam, fishing has become the first business activityencouraging local young farmers and herdsmen towards an unlikely professional retraining.Fishermen settlements occupy former site of displaced villages due to the dam construction. Thirty-three villages have been relocated downstream of the dam in the lands of existing hamlets. This cohabitation disruptstraditional land use and leads to social strains.

Le Cambodge est un pays situé en Asie du Sud-Est, avec grand potentiel de ressources en énergies renouvelables. Même fort de ce potentiel, la puissance électrique actuellement installée n'est pas suffisante pour tout le pays. Environ 80% de la population vit dans les zones rurales et 75% des ménages sont sans réseau électrique. Ils utilisent une batterie, le moteur diesel, des bougies ou du kérosène pour l'éclairage, la télévision, les multimédia et autres appareils ménagers. Une minorité des citoyens, dans la partie nord utilise des modules pico hydro électriques acheté dans les pays voisins pour éclairage. Mais la tension de sortie et la fréquence ne sont pas vraiment stables en cas de modification de la charge ou de la vitesse de rotation de la turbine. La durée de vie des appareils électroménagers peut ainsi être réduite et des réparations locales sont nécessaires. Des millions de Cambodgiens ne peuvent pas accéder à l'énergie électrique en raison de deux facteurs principaux : les barrières technologiques et les coûts d'investissement élevés. Nos activités de recherche visent à éliminer ces barrières technologiques en concevant des systèmes de production d'énergie pico-hydroélectrique avec une installation rapide et peu coûteuse, simple et adaptée à une application locale tout en gardant une qualité de l'alimentation électrique satisfaisante. La première partie de cet ouvrage décrit la situation de l'énergie dans les zones rurales du Cambodge où les gens sont confrontés à un manque d'alimentation électrique. En conséquence, ils ne peuvent ni améliorer leur niveau de vie, ni développer leur communauté. Les villageois riches utilisent une batterie de voiture, des systèmes photovoltaïques ou pico-hydroélectriques alors que les villageois pauvres utilisent des bougies ou du kérosène pour l'éclairage. Des entreprises locales fournissent des solutions électriques basées sur des énergies renouvelables, mais les prix sont inabordables et loin de leurs attentes. Par conséquent, une solution originale est proposée dans cette thèse avec la récupération de composants électriques d'occasion en vue de la mise en œuvre d'un nouveau système de génération d'électricité pour les zones rurales isolées. Il s'agit ici d'innovation frugale pour le bas de la pyramide sociale. Les composants utilisés sont : machine asynchrone, alimentation sans interruption (UPS), alimentation de PC et d'autres équipements électroniques, etc. Ces composants recyclés peuvent être rassemblés pour former ainsi une solution technologique intéressante permettant de délivrer la puissance de sortie nécessaire. La deuxième partie de ce mémoire présente la modélisation de l'étage de puissance de la machine asynchrone triphasée utilisée comme un générateur asynchrone monophasé avec une phase d'excitation et les deux autres phases connectées en série pour alimenter la charge. Cette configuration est nommée 'Excited Induction Generator (EIG)'. / Cambodia is a country located in Southeast Asia, with its high potential of renewable energy resource. Even if this country has a high potential for renewable, the installed power is still not high enough to cover the whole country. About 80% of population living in rural areas and 75% of the households live without electricity. They survive by using battery, diesel engine, candle, kerosene for lighting, TV, multimedia and some other household appliances. A few of residents in northern part of the country use pico-hydro power units bought from neighbor countries in order to electrify their houses. In these systems, the output voltage and frequency are not really stable while the load under load or speed variations. Consequently, the lifetime of household appliances could be reduced or the items damaged and local repairs are needed. Moreover, millions of Cambodian people cannot access neither take an advantage from the available energy resources due to two main factors: technology barriers and high investment cost. This research aims to remove technology barriers by designing simple systems for pico-hydro power generation with fast and simple installation, suitable for local applications with high quality of electrical supply. The first part of this work briefly describes the energy situation in rural areas of Cambodia where people are facing the lack of electrical supply which. They cannot neither improve their living standard nor develop their community. Rich villagers use car battery, solar PV applications, pico-hydro power while poor villagers use candle/kerosene for lighting. Local enterprises can provide renewable energy solutions but the prices are unaffordable and far from their expectations. Therefore, an original solution is proposed in this thesis by using wasted electric and electronic equipment (second-life components) to form the new power generation systems for remote rural areas. This is frugal innovation to serve the bottom of the social pyramid. The used components are: induction machine, Uninterrupted Power Supply (UPS), power supply of a computer and other electronic equipment, etc. These wasted components can be arranged together to form a good solution with an interesting output power. The second part of this thesis presents the modelling of the power stage of three-phase induction machine as a single-phase induction generator by using one phase for excitation while the other two phases are connected in series to supply load, named "Excited Induction Generator (EIG)". Capacitor banks are added to EIG for compensating the reactive power. Capacitor values influence poles and zeros locations which are described and analyzed in the root locus according to the parameter variations. The third part of this thesis is devoted to onsite modelling of losses in induction machine. The method should achieve results simply, rapidly, without any prior information on the machine, in order to further integrate this model into energy optimization algorithms. Design of experiments is a good candidate. Experimental models of the total loss (iron loss and rotor copper losses) are proposed for motor operation and generator mode for different machines of different powers. The last part of this thesis describes output voltage/current response for both simulation results and experimental results of the induction generators. Proportional-integral and proportional-resonant controllers are tested. The implementation of closed loop controller is first achieved in an analog circuit and then, with dSPACE/MATLAB Simulink environment.

L’aspirateur d’une centrale hydroélectrique est l’organe hydraulique se situant en aval de la roue. Il a une forme divergente afin de récupérer l’énergie cinétique résiduelle en sortie de roue sous forme de pression statique et augmenter ainsi la chute nette de la centrale. Dans le cas des turbines de basse chute de type bulbe, les pertes de charge dans l’aspirateur influencent fortement le rendement global de la centrale. La prédiction correcte de ces pertes de charge au cours du dimensionnement de la turbine représente donc un enjeu majeur. La prédiction numérique des pertes de charge dans l’aspirateur est un réel challenge car l’écoulement dans l’aspirateur est dynamiquement complexe avec des nombres de Reynolds élevés, la présence de swirl et d’un gradient adverse de pression. Ces caractéristiques font que les approches de modélisation classiquement utilisées dans l’industrie sont mises en défaut. L’objectif de ce travail est double : (i) améliorer la prédiction de l’écoulement turbulent dans l’aspirateur en utilisant des approches instationnaires URANS et LES et en portant une attention particulière à la description des conditions d’entrée de l’aspirateur et (ii) réaliser une analyse fine des échanges énergétiques dans l’aspirateur pour mieux comprendre l’origine des pertes de charge. Une condition d’entrée instationnaire représentative de l’écoulement en sortie de roue est élaborée pour ces calculs. Les résultats de simulation sont comparés avec des mesures expérimentales afin d’évaluer la capacité prédictive de chaque approche de modélisation de la turbulence (URANS et LES). Cette étape de validation met en évidence l’importance d’une définition correcte des trois composantes de la vitesse en entrée d’aspirateur. L’influence des conditions aux limites du domaine de calcul, à savoir la rugosité de la paroi et la condition de sortie de l’aspirateur, sur les résultats de simulation est évaluée, notamment dans le cas d’une résolution LES. Grâce à une analyse détaillée du bilan d’énergie cinétique moyenne dans l’aspirateur, les phénomènes hydrodynamiques responsables des pertes de charge sont identifiés. Ceci permet d'analyser en détail les différences de prédiction de pertes de charge entre les calculs URANS et LES et d’identifier les pistes d’amélioration de la prédiction numérique de ces pertes. Enfin, cette analyse permet de comprendre l’évolution des pertes de charge observée entre plusieurs points de fonctionnement de la turbine. / The draft tube of a hydraulic turbine is the turbine element located downstream of the runner. It has a divergent shape in order to convert the residual kinetic energy leaving the runner into pressure and thus increase the effective head of the turbine. The performances of low head bulb turbines are highly influenced by the head losses in the draft tube. The prediction of these head losses in a design process is thereby a major issue. The numerical prediction of the head losses in the draft tube is a real challenge because the flow in the draft tube is dynamically complex with high Reynolds numbers, a swirl and an adverse pressure gradient. These characteristics render conventional industrial approaches not appropriate. The objective of this work is twofold: (i) to improve the numerical prediction of the turbulent flow in the draft tube by using URANS and LES unsteady approaches and paying special attention to the description of the inlet boundary conditions of the draft tube and (ii) to conduct a detailed analysis of the energy transfers in the draft tube in order to better understand the origin of the head losses. An unsteady inlet boundary condition for the simulations reproducing the flow field at the runner outlet is developed. Numerical results are compared to experimental measurements in order to evaluate the predictive capacity of each turbulence modelling approach (URANS and LES). This validation step highlights the importance of defining properly the three velocity components at the draft tube inlet. The influence on the numerical results of boundary conditions of the calculation domain, such as wall roughness and the outlet boundary condition, is evaluated, in particular in case of LES. Thanks to a detailed analysis of the mean kinetic energy balance in the draft tube, the hydrodynamic phenomena responsible for head losses are identified. The head losses prediction differences between URANS and LES are thus analyzed in detail and possible improvements for the head losses prediction are identified. Finally, this analysis enables to understand the head losses evolution observed between several operating points of the turbine.

Les eaux continentales sont des sources de méthane (CH4), de dioxyde de carbone (CO2)et de protoxyde d’azote (N2O). Dans le but de préciser leur importance dans le bilan global des émissions de gaz à effet de serre (GES), de nombreuses études ont été réalisées afin de quantifier les différents flux de carbone et d’azote les parcourant. Ces flux sont perturbés par la mise en place de barrages sur le lit des fleuves. Peu d’études présentent des bilans de carbone et d’azote complets (apports, exports, flux vers l’atmosphère et enfouissement) pour les lacs de barrages, et elles concernent uniquement des écosystèmes boréaux et tempérés. Suite à la création d’un barrage, de la matière organique (MO) est mise en eau (sols et forêts), elle se dégrade rapidement les premières années suivant la mise en eau puis plus lentement par la suite. L’état de dégradation de la MO et la principale source de GES dans un lac de barrage près de 20 ans après la mise en eau sont souvent méconnus. L’étude réalisée 18 ans après la mise en eau du lac de Petit Saut (Guyane Française) est la première étude où les principaux éléments des cycles du carbone et de l’azote d’un lac de barrage hydroélectrique, et de son fleuve en aval, situé en climat équatorial et dont la création a entraîné la mise en eau de forêt primaire, sont étudiés près de 20 ans après la mise en eau. Cette étude se base sur (i) la mesure mensuelle de la qualité des eaux et des concentrations en carbone et azote en amont, dans, et en aval du lac de barrage, (ii) la mesure et/ou le calcul des différents flux de GES vers l’atmosphère, (iii) des données de la signature isotopique et de l’état de dégradation de la MO en amont, dans, et en aval du lac, (iv) des prélèvements de sédiments et de troncs d’arbres ennoyés en 1994 et (v) des incubations d’eau du fleuve, de sédiments et de troncs d’arbres du lac. L’ensemble des données collectées au cours des 12 mois de campagnes réalisées en 2012 - 2013 nous a permis de déterminer que (i) les sols inondés sont toujours des sources significatives de GES contrairement aux troncs d’arbres ennoyés, (ii) dans le lac 84 % des émissions de CH4 et 51 % des émissions de CO2 ont lieu dans la zone littorale (< 10 m de profondeur), (iii) 54 % du CO2 produit dans le fleuve en aval provient de la dégradation de la MO apportée par le lac. Cette étude nous a aussi permis de réaliser des bilans de carbone et d’azote à Petit Saut et un bilan des émissions de chacun des GES émis (CH4, CO2, N2O) près de 20 ans après la mise en eau. / Inland waters are sources of methane (CH4), carbon dioxide (CO2) and nitrous oxide (N2O). In order to define their importance in the global balance of greenhouse gases (GHG) emissions, numerous studies have been conducted to quantify the different fluxes of the carbon and nitrogen browsing them. These fluxes are modified by the creation of dams on river beds. Few studies present full carbon and nitrogen balances (inputs, outputs, fluxes to the atmosphere and sequestration) for reservoirs, and they concern only boreal and temperate ecosystems. The creation of a dam floods organic matter (OM) (soils and forests), which is rapidly degraded the first years following the impoundment and thereafter more slowly. The state of degradation of the OM and the main source of GHG in a reservoir nearly 20 years after impoundment are often unknown. The study conducted 18 years after the impoundment of the Petit Saut Reservoir (French Guiana) is the first study where the main elements of carbon and nitrogen cycles of an hydroelectric reservoir, and its river downstream, located in equatorial climate and which creation resulted in the flooding of primary forest, are studied nearly 20 years after impoundment. This study is based on (i) a monthly measurement of water quality and carbon and nitrogen concentrations upstream, in, and downstream of the reservoir, (ii) measurements and/or calculations of the different fluxes of GHG through the atmosphere, (iii) data of the isotopic signature and of the state of degradation of OM upstream, in, and downstream of the reservoir, (iv) sediments and 1994’s flooded tree trunks sampling and (v) incubations of downstream river water, sediments and tree trunks from the reservoir. All the data collected during the 12 months of campaigns carried out in 2012 - 2013 allowed us to determine that (i) flooded soils are still significant sources of GHG unlike flooded tree trunks, (ii) in the reservoir 84 % of CH4 emissions and 51 % of CO2 emissions occur in the littoral zone (< 10 m depth), (iii) 54 % of the CO2 produced in the river downstream of the dam come from the degradation of the OM provided by the reservoir. This study also allowed us to achieve carbon and nitrogen balances in Petit Saut and emission balance of each GHG emitted (CH4, CO2, N2O) nearly 20 years after impoundment.

L'hydraulique est la principale énergie renouvelable produite en France. Elle apporte une réserve d'énergie et une flexibilité intéressantes dans un contexte d'augmentation de la part des énergies intermittentes dans la production. Sa gestion soulève des problèmes difficiles dus au nombre des barrages, aux incertitudes sur les apports d'eau et sur les prix, ainsi qu'aux usages multiples de l'eau. Cette thèse CIFRE, effectuée en partenariat avec Electricité de France, aborde deux questions de gestion hydraulique formulées comme des problèmes d'optimisation dynamique stochastique. Elles sont traitées dans deux grandes parties.Dans la première partie, nous considérons la gestion de la production hydroélectrique d'un barrage soumise à une contrainte dite de cote touristique. Cette contrainte vise à assurer une hauteur de remplissage du réservoir suffisamment élevée durant l'été avec un niveau de probabilité donné. Nous proposons différentes modélisations originales de ce problème et nous développons les algorithmes de résolution correspondants. Nous présentons des résultats numériques qui éclairent différentes facettes du problème utiles pour les gestionnaires du barrage.Dans la seconde partie, nous nous penchons sur la gestion d'une cascade de barrages. Nous présentons une méthode de résolution approchée par décomposition-coordination, l'algorithme Dual Approximate Dynamic Programming (DADP). Nousmontrons comment décomposer, barrage par barrage, le problème de la cascade en sous-problèmes obtenus en dualisant la contrainte de couplage spatial ``déversé supérieur = apport inférieur''. Sur un cas à trois barrages, nous sommes en mesure de comparer les résultats de DADP à la solution exacte (obtenue par programmation dynamique), obtenant desgains à quelques pourcents de l'optimum avec des temps de calcul intéressants. Les conclusions auxquelles nous sommes parvenu offrent des perspectives encourageantes pour l'optimisation stochastique de systèmes de grande taille / Hydropower is the main renewable energy produced in France. It brings both an energy reserve and a flexibility, of great interest in a contextof penetration of intermittent sources in the production of electricity. Its management raises difficulties stemming from the number of dams, from uncertainties in water inflows and prices and from multiple uses of water. This Phd thesis has been realized in partnership with Electricité de France and addresses two hydropower management issues, modeled as stochastic dynamic optimization problems. The manuscript is divided in two parts. In the first part, we consider the management of a hydroelectric dam subject to a so-called tourist constraint. This constraint assures the respect of a given minimum dam stock level in Summer months with a prescribed probability level. We propose different original modelings and we provide corresponding numerical algorithms. We present numerical results that highlight the problem under various angles useful for dam managers. In the second part, we focus on the management of a cascade of dams. We present the approximate decomposition-coordination algorithm called Dual Approximate Dynamic Programming (DADP). We show how to decompose an original (large scale) problem into smaller subproblems by dualizing the spatial coupling constraints. On a three dams instance, we are able to compare the results of DADP with the exact solution (obtained by dynamic programming); we obtain approximate gains that are only at a few percents of the optimum, with interesting running times. The conclusions we arrived at offer encouraging perspectives for the stochastic optimization of large scale problems