La maîtrise de la demande en climatisation des bâtiments tertiaires peut contribuer à la limitation du réchauffement climatique à 2°C. Les réseaux de froid urbain sont une solution pour répondre à cette demande avec une haute efficacité énergétique. Une conduite performante est cependant essentielle pour maintenir et augmenter leurs avantages compétitifs. L'objectif de la thèse est de contribuer à la construction d'un outil d'aide à la conduite journalière des réseaux de froid. La difficulté réside à deux niveaux : la diversité des décisions et la complexité des phénomènes physiques sous-jacents. L'originalité est de proposer une méthodologie pour aider au pilotage des groupes frigorifiques, des tours aéroréfrigérantes, de la pression différentielle et de la répartition de puissance entre des centrales de production aux performances variables. La méthodologie développée est appliquée au réseau de froid de Paris-Bercy exploité par Climespace. Tout d'abord, un modèle intégrant une représentation physique des centrales de production, du réseau de distribution et des sous-stations, est développé. En particulier, un modèle de type semi-empirique, paramétrable sur des mesures, est modifié pour calculer les performances non-nominales des groupes frigorifiques centrifuges. La validation du modèle complet est réalisée sur un jeu de données indépendant de l'identification. Ensuite, le modèle est exploité pour rechercher une conduite optimisée à partir d'un modèle de prévision de la demande. La méthode proposée est séquentielle : résolution a priori des optimisations locales puis génération de modèles quadratiques de centrales servant à déterminer la répartition optimale. La pression différentielle est minimisée à partir de l'identification, par simulation, de la sous-station défavorisée. Enfin, la réduction de la consommation électrique est évaluée sur une semaine d'été. / Cooling demand management of commercial buildings can contribute to limit global warming below 2°C. District cooling is an energy-efficient option. However, improving operational performance is of great importance to ensure and increase its competitive advantages. The aim of this thesis is to contribute to the development of a decision-support tool for daily operation of district cooling networks. Challenges lie at two levels: diversity of decisions to be taken and complexity of physical phenomena involved. The original aspect of our work is to propose a methodology to improve chillers and cooling towers control, differential pressure management and dispatching between production plants with variable efficiency. Our developments are applied to the district cooling of Paris-Bercy, operated by Climespace. First; a model featuring a physical description of chilled-water production plants, distribution network and buildings substations, is developed. In particular, a semi-empirical model with identified parameters is modified to compute non-nominal characteristics of centrifugal chillers. The system model is validated against an independent dataset. Then, the model is used to find optimized controls from cooling loads forecast. The proposed methodology is sequential: pre-computation of optimal set-points at plant level and then generation of quadratic plant models to solve the dispatching optimization problem at each time step. Differential pressure is minimized with a simulation-based tracking of the critical substation. To conclude, electricity consumption reduction with optimized controls is evaluated during a summer week.

Les piles à combustibles sont considérées comme une énergie d’avenir, notamment grâce à leur caractère non polluant à l’usage. Cependant, le déploiement de ces solutions à grande échelle est encore conditionné par l’amélioration de leurs performances et surtout de leur durabilité afin de garantir une industrialisation à faible coût. L’application de la pile à combustible au domaine des transports impose en plus un fonctionnement à puissance variable, ce qui complique l’amélioration des performances et de la durabilité. L’approche retenue pour ces travaux consiste en la conception d’une loi de gestion du système qui génère les conditions opératoires optimales à appliquer au stack (pressions, température, courant, stoechiométries) en fonction de la demande en puissance, de l’état de santé de la pile (perte de surface active) et du taux d’humidité actuel. L’optimalité est entendue au sens de l’augmentation du rendement système et de la diminution des dégradations du platine et de la membrane. Cette loi se base sur des modèles de dégradations et de performances d’un système pile à combustible. Cette loi de gestion requiert pour fonctionner les données de l’état de santé de la pile et du taux d’humidité. L’évaluation de l’état de santé de la pile fait déjà l’objet de nombreux travaux de diagnostic. En revanche, le taux d’humidité doit être estimé par un observateur d’état car les capteurs d’humidité ne sont pas fiables pour une application transport. Pour cela, un observateur d’état a été développé pour estimer les humidités relatives dans les canaux du stack et aussi le chargement en eau de la membrane, la quantité d’hydrogène à l’anode ainsi que la saturation d’azote à l’anode. Cette dernière donnée permet de proposer une stratégie de purge pour une architecture dead-end basée sur la saturation d’azote, qui limite les pertes en hydrogène et réduit les dégradations liées à cette architecture. / Fuel cells are considered as a promising source of energy for the future, thanks to their non-polluting aspect. However, the deployment of these solutions on a large scale is still conditioned by the improvement of their performance and especially of their durability in order to guarantee a low cost industrialization. The transport application also imposes a variable power demand, which complicates the improvement of performance and durability. The approach adopted for this work consists of the design of a system management law that generates the optimal operating conditions to be applied to the stack (pressures, temperature, current, stoichiometries) as a function of the power demand, the state of health (active surface loss) and current humidity. Optimality is understood in the sense of increasing system efficiency and decreasing the degradation of the membrane and the platinum dissolution. This law is based on degradation and performance models of a fuel cell system. This management law requires in real time the data of the state of health of the fuel cell and the humidity rate. The assessment of the state of health is already the subject of many diagnostic work. On the other hand, the humidity rate must be estimated by a state observer because the humidity sensors are not reliable for a transport application. Therefore, a state observer was developed to estimate the relative humidities in the stack channels and also the membrane water content, the hydrogen at the anode as well as the nitrogen saturation at the anode. This last data makes it possible to propose a purge strategy for a dead-end architecture, based on nitrogen saturation, which limits the losses in hydrogen and reduces the damage associated with this architecture.

L’hybridation électrique de la chaîne de traction automobile est l’une des solutions adoptées pour respecter les règlementations futures sur ses émissions. La stratégie de supervision de la chaîne de traction hybride répartit la puissance produite par le moteur à combustion interne et la machine électrique. Elle répond habituellement à un problème d’optimisation où l’objectif est de réduire la consommation de carburant mais nécessite à présent d’y ajouter les émissions polluantes. La chaîne de dépollution, placée à l’échappement du moteur, permet de diminuer la quantité de polluants émise dans l’atmosphère. Cependant, elle n’est efficace qu’à partir d’un seuil de température, et dépend de la chaleur apportée par les gaz d’échappement du moteur thermique. La première partie de ce travail est donc consacrée à la modélisation de la consommation énergétique et des émissions polluantes de la chaine de traction hybride. La modélisation de l’efficacité de la chaîne de dépollution est réalisée selon deux contextes. Le modèle zéro-dimensionnel est adapté aux contraintes de calcul de la commande optimale. Le modèle unidimensionnel associé à un estimateur d’état permet d’être embarqué et calculé en temps réel. À partir de ces travaux, la seconde partie de cette thèse déduit des stratégies de supervision à l’aide de la théorie de la commande optimale. Dans un premier cas, le principe de Bellman permet de calculer la commande optimale d’un véhicule hybride Diesel selon des critères de supervision ayant plus ou moins connaissance de l’efficacité de la chaîne de dépollution des émissions de NOX. Dans un second cas, une stratégie issue du Principe du Minimum de Pontryagin, embarquée sur un véhicule hybride essence, fonctionnant en temps réel et calibrée selon deux paramètres est proposée. L’ensemble de ces travaux est validé expérimentalement au banc moteur et montre une réduction significative des émissions polluantes pour une faible pénalité de carburant. / Powertrain hybridization is a solution that has been adopted in order to conform to future standards for emissions regulations. The supervisory strategy of the hybrid powertrain divides the power emitted between the internal combustion engine and the electric machine. In past studies, this strategy has typically responded to an optimization problem with the objective of reducing consumption. However, in addition to this, it is now necessary to take pollutant emissions into account as well. The after-treatment system, placed in the exhaust of the engine, is able to reduce pollutants emitted into the atmosphere. It is efficient from a certain temperature threshold, and the temperature of the system is dependent on the heat brought by the exhaust gas of the engine. The first part of this dissertation is aimed at modelling the energy consumption and pollutant emissions of the hybrid powertrain. The efficiency model of the after-treatment system is adapted for use in two different contexts. The zero-dimensional model conforms to the constraints of the optimal control calculation. The one-dimensional model associated with a state estimator can be embedded in a vehicle and calculated in real time. From this work, the second part of this dissertation deduces supervisory strategies from the optimal control theory. On the one hand, Bellman’s principle is used to calculate the optimal control of a Diesel hybrid vehicle using different supervisory criteria, each having more or less information about the after-treatment system efficiency over NOX emissions. On the other hand, a strategy from Pontryagin’s minimum principle, embedded in a gasoline hybrid vehicle, running in real time and calibrated with two parameters, is proposed. The whole of this work is validated experimentally on an engine test bed and shows a significant reduction in pollutant emissions for a slight fuel consumption penalty.

Pour résoudre les problèmes environnementaux et énergétiques liés au nombre croissant de véhicules en circulation, deux approches sont envisageables : l'une est technologique et vise à améliorer les composants du véhicule ou son architecture, l'autre est comportementale et cherche à changer la manière d'utiliser les véhicules. Dans ce contexte, l'éco-conduite représente une méthode, applicable immédiatement, permettant à chaque conducteur de réduire sa consommation. L'objectif de cette thèse est donc l'analyse des gains potentiels de l'éco-conduite pour les différents types de véhicules existant : thermique, électrique et hybride. Ainsi, la première partie de ce travail se focalise sur une étude théorique visant à calculer les gains potentiels et à déterminer les règles d'éco-conduite, avant d'aborder dans un second temps une mise en situation plus réaliste et une intégration des algorithmes dans un système d'assistance pour le conducteur. En s'appuyant sur une modélisation énergétique des différents types de véhicules, la détermination et la comparaison du fonctionnement optimal se base sur l'optimisation du profil de vitesse pour des trajets connus. La programmation dynamique a été mise enoeuvre pour calculer la trajectoire optimale énergétique en tenant compte de la contrainte temporelle afin de ne pas pénaliser l'intérêt d'une conduite économe. Evidemment, l'intégration de l'éco-conduite doit, d'une part, tenir compte du trafic à proximité du véhicule et d'autre part, ne pas aboutir à une augmentation des émissions de polluants. Ainsi, en nous appuyant sur des modèles de suivi de véhicules (trafic), nous avons montré que les principes d'éco-conduite restent valables et conduisent de toute façon à des gains énergétiques. Concernant les contraintes d'émissions, des résultats expérimentaux nous ont conduit à adapter nos algorithmes pour répondre simultanément aux aspects écologiques et économiques. Enfin, les connaissances acquises ont été appliquées à la conception d'un système d'assistance testé sur un simulateur de conduite. / The transportation sector has been identified as one of many sources of today's energetic and environmental problems. With constantly increasing numbers of vehicles on the road, non-renewable fossil fuels are becoming scarce and expensive. In addition, due to the pollutant emissions of internal combustion engines, the transportation sector is a major producer of greenhouse gas emissions. To resolve these problems researcher are looking for technological solutions, such as more efficient components and alternative drive train technologies, on one hand. On the other hand, work is being done to ensure the most efficient utilization of available technological resources. Eco driving is one way to immediately reduce a driver's energy consumption. In this thesis the potential gains of eco driving for passenger vehicles will be discussed. The main objective of this work is to, first, identify and compare drive train specific, optimal vehicle operation. Secondly, the effect of real-life constraints on potential gains of eco driving is evaluated. In addition, an approach to integrate mathematical optimization algorithms in an advanced driver assist system for eco driving is proposed. Physical vehicle models are developed for three representative vehicles: the conventional, electric and power-split hybrid vehicle. Using real-life and standard drive cycles a baseline mission is defined by specifying trip and road constraint. Applying the dynamic programming algorithms the trajectory optimization problem is solved, minimizing energy consumption for the trip. The effect of traffic on potential gains of eco driving is discussed, considering a vehicle following situation. Integrating emission constraints in the optimization algorithm the environmental advantages of eco driving are discussed. Finally, the developed algorithms were integrated in a driver assist system. Experimental tests on a driving simulator were used to verify the effectiveness of the system, as well as driver acceptance.

Dans le contexte du développement d’une agriculture durable, il est nécessaire d’optimiser le coût énergétique des opérations agricoles tout en garantissant des temps de travaux courts ainsi que la qualité des opérations réalisées. Cette question concerne en particulier l’opération du semis qui est déterminante pour la qualité de la future récolte. Les semoirs de grande capacité et à haute productivité conçus aujourd’hui se doivent d’être compatibles avec cet ensemble de contraintes. L’enjeu essentiel de cette thèse est donc d’élaborer une méthodologie innovante et utilisant des outils de modélisation dans le but de réduire la consommation énergétique des matériels de semis. En suivant cette logique, nous avons étudié quatre aspects clef de la conception des semoirs pneumatiques : la manœuvrabilité des semoirs poly-articulés, l’établissement des conditions du transport pneumatique des semences et des engrais, l’optimisation des systèmes de répartition des semences ou des engrais, et enfin les aspects énergétiques du mode d’introduction des semences dans le circuit pneumatique. Chaque modélisation a été précédée par une phase expérimentale de détermination des phénomènes majoritaires influençant le processus étudié. Ensuite une modélisation du processus étudié, basée sur la simulation des effets du phénomène majoritaire identifié a pu être mise en œuvre et des conclusions, appuyées par des essais expérimentaux, proposées quant à la conception des semoirs pneumatiques. L’étude de la manœuvrabilité des ensembles poly articulés a démontré qu’il était possible de proposer et de tester un modèle explicatif de prédiction de trajectoires adapté aux engins agricoles. Cette approche ouvre la voie à l’optimisation et à de nouvelles méthodes d’automatisation de manœuvres complexes, notamment des demi-tours en bout de champ. Il est par ailleurs possible de démontrer qu’une trémie en position arrière permet de réaligner plus rapidement la barre de semis après une manœuvre. L’étude des conditions du transport pneumatique a montré notamment que l’établissement de conditions de transport correctes au niveau des sorties de la tête de distribution conditionne l’ensemble de la conception du circuit de distribution de la matière. L’étude des systèmes de répartition des semences a permis d’expliquer l’origine des principaux défauts de répartition observés et notamment l’importance de l’adéquation entre le coude et la conduite verticale qui précède la tête de répartition des semences. Ces résultats ont ouvert la voie à l’étude de la mise en place de systèmes d’anticipation et de correction de ces défauts. Enfin l’étude comparée de deux systèmes d’introduction de la matière dans un circuit pneumatique a montré que du point de vue énergétique les systèmes pressurisés sont plus intéressants que les systèmes injecteurs. / In the context of sustainable farming, the optimization of the energy costs of agricultural operations allows shorter working times and high quality of the agricultural operations. This question relates particularly to the seeding. This operation one is decisive for the quality of the future harvest. The modern high capacity seed drills must be compatible with all the constraints. The main goal of this PhD thesis is thus to develop an innovative methodology, integrating the modeling tools, in order to reduce the energy consumption of the heavy seeding equipment. Thus, we explored four key aspects concerning air seed drill design: maneuverability of poly-articulated seed drills; establishment of the pneumatic conveying conditions of seeds and fertilizers; seed distribution accuracy optimization, and finally the energy aspects of the air stream loading systems. Each modeling was preceded by a preliminary experimental phase, defying the majority phenomena influencing the studied process. The modeling of the studied process and the conclusions (supported by experimental trials) have been proposed for the design of air seed drills. The study of maneuverability of poly-articulated agricultural machines showed that it was possible to get and test an explanatory model of trajectory prediction adapted for agricultural machines. This approach opens the way for optimization and automation of complex operations, including U-turns on headlands. We showed that a towed behind storage hopper (air-cart) allows faster realignment of the coulter bar after maneuvers. The study of pneumatic conveying conditions showed that the establishment of the correct conveying conditions in the outlets after the dispensing head defines the entire design of the distribution system. The study of seed distribution systems explains that the origin of the low distribution accuracy is caused in particular by the elbow and the vertical pipe before the dispensing head. These results open the way for the development of anticipation systems and correction of these defects. Finally the comparative study of two air-stream loading systems has showed that from the energy point of view the pressurized systems are more interesting than the injectors systems. / В рамках концепции устойчивого развития, необходимо учитывать энергетический аспект, сохраняя при этом эффективность использования рабочего времени и качества выполнения сельскохозяйственных операций. Особенно, это касается операции посева, определяющей в наибольшей степени будущий урожай. Современные широкозахватные зерновые сеялки и посевные комплексы вписываются в рамки устойчивого сельского хозяйства. Главной целью данной диссертации является разработка действенной методики проектирования пневматических сеялок, применяя методы моделирования и оптимизации, с целью уменьшения энергопотребления. Таким образом, мы использовали причинно-следственный подход для энергетической оптимизации четырех определяющих параметров: маневренность многозвеньевых посевных машин, обоснования необходимых условий пневмотранспорта, оптимизация распределения посевного материала, и ввода материала в магистральный трубопровод. В дополнение, снижение энергопотребления не должно сказываться на качестве выполнения технологического процесса посева. Моделирование каждого процесса, является следствием длительной экспериментальной фазы, посвященной определению наиболее значимых факторов, для каждого отдельного явления. В результате моделирований, симуляций и анализа, были составлены практические рекомендации, для конструкторов пневматических сеялок. Изучение маневренных характеристик многозвеньевых агрегатов позволило предложить и испытать физическую модель, позволяющую предопределить траекторию движение каждого звена машинно-тракторного агрегата. Такой подход позволяет автоматизировать выполнение наиболее сложных маневров (например, разворотов в конце гона). Кроме всего было показано, что заднеприцепные бункера позволяют более быстрое выравнивание агрегата после разворота. Изучение условий пневмотранспорта, позволило установить оптимальные, с точки зрения энергосбережения, параметры пневмотранспорта на выходе из распределительной головки, что послужило исходными данными для расчета характеристик пневмотранспорта в целом. Исследование процесса распределения семян в распределительной головке вертикального типа, позволило определить причины неравномерного распределения семян между выходными трубопроводами, в частности влияние отвода и вертикального трубопровода. На основании полученных данных, было предложена система устройств, позволяющих избежать возникновения завалов в системе, при минимальных энергопотерях. Сравнительные исследования двух систем ввода материала в магистральный трубопровод, позволили заключить, что питатели с наддувом являются менее энергоемкими по сравнению с питателями эжекторного типа.

De plus en plus d'objets électroniques nomades incorporent à la fois des capacités de traitement, de contrôle et un ou plusieurs émetteur-récepteur radios. Les objets, lorsqu'ils communiquent entre eux, forment des réseaux de capteurs sans l (WSN). Leur point commun est qu'ils doivent fonctionner aussi longtemps que possible sans avoir à remplacer ou recharger les batteries. Par conséquent, la consommation d'énergie est la principale contrainte à prendre en considération dans l'élaboration de ces articles. Les recherches sur l'optimisation de l'énergie sont nombreuses, et sont appliquées à tous les niveaux de la conception. Dans cette thèse, nous proposons des techniques d'optimisation au niveau algorithmique visant une réduction de l'énergie consommée. Dans ce contexte, tout d'abord, nous avons proposé un modèle énergétique hybride pragmatique et précis pour les WSN. Ce modèle prend en compte les différents scénarios qui se produisent pendant la communication et évalue leur consommation d'énergie en distinguant composantes logicielles et matérielles. Le modèle présenté est une combinaison d'approche analytique et de mesures en temps réel. La validation du modèle montre que l'erreur relative est de 1 à 8 pour cent. Dans la deuxième partie de la thèse nous nous sommes concentrés sur le contrôle d'accès au medium (MAC). La couche MAC joue un rôle essentiel dans la gestion de l'énergie dans les réseaux de capteurs, car l'activité de l'émetteur-récepteur radio (composante la plus gourmande en énergie) est contrôlée par la couche MAC. Par ailleurs, l'état d'écoute " idle " se trouve être l'état dans lequel s'opère un gaspillage énorme d'énergie dans la plupart des protocoles MAC. À ce sujet, nous proposons un nouveau protocole MAC dynamique (TAD-MAC) efficace en énergie avec une connaissance à priori du trafic courant. Le protocole repose sur l'adaptation dynamique des intervalles de réveil basée sur une estimation du trafic. Une approche heuristique est utilisée pour modéliser le système en caractérisant chacun des paramètres de l'algorithme adaptatif. Une analyse détaillée de la convergence et des métriques de performance pour atteindre un état d'équilibre est présentée et évaluée. En outre, TAD-MAC est appliqué dans le contexte des réseaux corporels de capteurs sans fil pour des taux de trafics fixes et variables. TAD-MAC surpasse les autres protocoles MAC à faible consommation énergétique en termes de latence ainsi que de consommation d'énergie et donc permet d'augmenter la durée de vie de trois à six fois. Dans la dernière partie de la thèse une technique adaptative d'optimisation de la puissance d'émission est appliquée avec une variation dynamique des canaux de transmission afi n de réduire l'énergie par bit transmis avec succès au niveau de la couche physique. La puissance d'émission est réglée de manière adaptative sur un critère de type " link-to-link" . Chaque nœud adapte localement sa puissance en fonction des variations du rapport signal-sur-bruit (SNR) (pour tous les nœuds voisins). Différents profils d'émetteurs-récepteurs radio sont utilisés pour montrer le gain par rapport à l'utilisation d'une puissance d'émission fixe. Il se trouve que par l'adaptation dynamique de la puissance d'émission, la consommation d'énergie peut être réduite d'un facteur 2.

Les bâtiments commerciaux et industriels présentent une part non négligeable de la demande énergétique. L’objectif de ce travail de thèse est d’étudier par des simulations numériques, le comportement thermoaéraulique des bâtiments de grand volume à usage commercial ou industriel et d’améliorer leurs performances afin de réduire leurs consommations énergétiques tout en assurant le confort thermique des occupants. La première partie de l’étude consiste à définir et à évaluer les paramètres d’enveloppe et de ventilation qui affectent la consommation d’énergie et le confort thermique de ce type de bâtiment. À travers des modèles développés (multizone et zonal) sur un bâtiment « générique », nous présentons l’impact des paramètres les plus importants (orientation du bâtiment, isolation thermique de l’enveloppe, propriétés radiatives de la toiture, sol, inertie thermique interne, diffusion de l’air…) sur la consommation énergétique et le confort. Ces paramètres sont déterminants surtout dans la conception de la toiture et du plancher de par leur influence sur les performances énergétiques du bâtiment étudié. Cette modélisation thermoaéraulique est ensuite appliquée à un bureau-entrepôt commercial existant. L’exploitation du modèle, dont les résultats sont confrontés aux mesures, et des études paramétriques permettent de démontrer l’efficacité de stratégies de ventilation naturelle nocturne. Dans la deuxième partie, nous évaluons certaines solutions de rafraîchissement passif (isolation thermique, ventilation naturelle nocturne, revêtement de toiture « cool roof ») permettant de maintenir le confort thermique en hiver aussi bien qu’en été tout en minimisant la consommation énergétique. Enfin, une étude d’optimisation nous permet de déterminer les paramètres optimums en fonction des conditions climatiques et des deux objectifs de confort et de performance énergétique. Ce travail ouvre de nombreuses perspectives sur la méthodologie de conception des enveloppes et l’adaptation du fonctionnement des installations de ventilation pour le rafraîchissement passif des bâtiments. / Commercial and industrial buildings represent a significant part of total energy demand. The objective of this thesis is to study the thermal behavior and airflows of commercial or industrial buildings (low-rise and large volume) by numerical simulations, to improve their thermal performance in order to reduce their energy consumption while maintaining thermal comfort of the occupants. The first part of this study consists in identifying and evaluating the keys factors that affect the energy demand and thermal comfort of these buildings. Using the developed models (multizone and zonal), we present the impact of the most important parameters (building orientation, thermal insulation, radiative properties of the roof, soil, internal thermal inertia, air diffusion…) on energy consumption and thermal comfort. We have identified here that the main influencing parameters can be found in the design of the roof and the ground floor considering the energy performance of the studied building. The developed model is then applied to a real commercial building. Results showed that the predictions are in good agreement with the measurements and that night-time natural ventilation can be an efficient passive cooling technique to avoid overheating in summer. In the second part, we evaluate the efficiency of different passive cooling techniques (thermal insulation, night-time natural ventilation, cool roof…) applied to ensure the thermal comfort in winter as well as in summer while minimizing the energy consumption. Finally, an optimization study is proposed to determine the optimal set of parameters for both objective functions considering the passive cooling techniques and the energy demand according to different climatic zones.