A l'heure actuelle, la démarche utilisée pour apprécier l'intérêt économique de différents systèmes énergétiques s'appuie sur un schéma de fonctionnement fixé. Cependant, des études ont montré que les schémas de fonctionnement correspondant aux meilleurs rendements thermodynamiques ne conduisent pas nécessairement aux meilleurs coûts de production. <br />Une méthode appelée optimisation technico-économique a été proposée. Cette méthode vise à minimiser le coût de production d'un système énergétique, incluant à la fois les coûts de fonctionnement et les coûts d'investissement. Elle a été mise en œuvre grâce à l'utilisation des algorithmes génétiques. Cette démarche a été comparée à la méthode d'intégration thermique sur deux exemples différents et son intérêt a ainsi pu être validé. L'optimisation technico-économique a alors été appliquée à différents systèmes énergétiques : tant pour la production d'hydrogène que pour la production d'électricité

L’objectif principal de cette thèse est d’étudier d’abord les problèmes potentiels qui peuvent entraver ou accélérer la diffusion des systèmes énergétiques environnementaux (par exemple, énergies renouvelables), puis l’impact de la pénétration de ces technologies dans le marché de l’énergie sur les équilibres du marché. À cette fin, nous observons le processus de diffusion à partir de différents points de vue tels que les décideurs, les fabricants, les clients et l’opérateur d’un système de transmission. Le premier chapitre de cette thèse fournit introduction et le contexte de la recherche. Le deuxième chapitre examine le rôle des décideurs et des fabricants technologiques sur la diffusion de ces technologies, alors que le troisième chapitre est consacré à l’étude de l’impact des différentes dimensions d’information sur la décision d’adopter une technologie environnementale tout au long du processus de telle adoption. Le chapitre quatre examine l’effet de l’entrée de ces technologies (énergies renouvelables) dans le marché d’électricité sur le prix au comptant d’électricité et sur le déséquilibre offre-demande. Enfin, le chapitre cinq conclut les résultats de cette étude et fournit des orientations pour des recherches futures. Les résultats présentés dans cette thèse offrent un aperçu de gestion précieux pour les décideurs, les fabricants de technologie et aux entreprises opérant dans le secteur de l'énergie. / The main goal of this dissertation is to study the potential factors that may hamper or accelerate the diffusion of environmental energy systems (e.g: renewable energies). To this end, using different methods such as game theory, survey data analysis, and time series data analysis we observe the diffusion of these technologies from different perspectives such as policy makers, manufacturers, and customers. This dissertation consists of five chapters. The first chapter provides introduction and background of the research. Second chapter investigates the role of policy makers and technology manufacturers on the diffusion of the environmental energy systems. Chapter three is dedicated to studying the impact of different information dimensions on the different stages of environmental technology adoption process. Chapter four examines effect of the penetration of the environmental energy systems into the electricity market by studying the electricity spot price and electricity supply- demand imbalance. Lastly, chapter five concludes the results of this study and provides directions for future researches. The results reported in this dissertation offer valuable managerial insights to policy makers, technology manufacturers and to firms operating in the energy sector.

Avec l'arrivée de l'environnement comme enjeu mondial, le secteur de l'efficacité énergétique prend une place de plus en plus importante pour les entreprises autant au niveau économique que pour l'image de la compagnie. Par le fait même, le domaine des technologies de l'énergie est un créneau de recherche dont les projets en cours se multiplient. D'ailleurs, un des problèmes qui peut survenir fréquemment dans certaines entreprises est d'aller mesurer la composition des matériaux dans des conditions difficiles d'accès. C'est le cas par exemple de l'électrolyse de l'aluminium qui se réalise à des températures très élevées. Pour pallier à ce problème, il faut créer et valider des modèles mathématiques qui vont calculer la composition et les propriétés à l'équilibre du système chimique. Ainsi, l'objectif global du projet de recherche est de développer un outil de calcul d'équilibres chimiques complexes (plusieurs réactions et plusieurs phases) et l'adapter aux problèmes électrochimiques et d'équilibres contraints. Plus spécifiquement, la plateforme de calcul doit tenir compte de la variation de température due à un gain ou une perte en énergie du système. Elle doit aussi considérer la limitation de l'équilibre due à un taux de réaction et enfin, résoudre les problèmes d'équilibres électrochimiques. Pour y parvenir, les propriétés thermodynamiques telles que l'énergie libre de Gibbs, la fugacité et l'activité sont tout d'abord étudiées pour mieux comprendre les interactions moléculaires qui régissent les équilibres chimiques. Ensuite, un bilan énergétique est inséré à la plateforme de calcul, ce qui permet de calculer la température à laquelle le système est le plus stable en fonction d'une température initiale et d'une quantité d'énergie échangée. Puis, une contrainte cinétique est ajoutée au système afin de calculer les équilibres pseudo-stationnaires en évolution dans le temps. De plus, la contrainte d'un champ de potentiel électrique est considérée pour l'évaluation des équilibres électrochimiques par des techniques classiques de résolution et fera l'objet de travaux futurs via une technique d'optimisation. Enfin, les résultats obtenus sont comparés avec ceux présents dans la littérature scientifique pour valider le modèle. À terme, le modèle développé devient un bon moyen de prédire des résultats en éliminant beaucoup de coût en recherche et développement. Les résultats ainsi obtenus sont applicables dans une grande variété de domaines tels que la chimie et l'électrochimie industrielle ainsi que la métallurgie et les matériaux. Ces applications permettraient de réduire la production de gaz à effet de serre en optimisant les procédés et en ayant une meilleure efficacité énergétique.

Cette thèse interroge l'existence d'une utopie environnementale de coopération entre Nature et Technique dans le secteur de l'énergie, qu'il s'agisse d'énergie renouvelable au Royaume-Uni ou d'énergie nucléaire en France. Dans la première partie de ce travail, nous avons établi que les systèmes énergétiques, par le biais de projets de coopération entre Nature et Technique, offraient un tableau pertinent des concurrences, et de plus en plus des coopérations entre Nature et Technique dans les discours et les pratiques étudiés, et ce en France. La deuxième partie de ce travail a consisté à démontrer dans quelle mesure les résistances à ces visions de la Nature et de la Technique en coopération sont plus fortes en France qu'au Royaume-Uni, car ces visions en coopération, comme nous l'avons montré en première partie, sont plus explicitement présentes en France qu'au Royaume-Uni. Dans la dernière partie de cette recherche, l'objectif a été enfin de démontrer dans quelle mesure ces représentations de la Nature et de la Technique en coopération traduisaient la rencontre d'idéologies technologiques propres au champ énergétique et de visions utopiques de l'environnement. Nous avons donc réussi à démontrer qu'au Royaume-Uni, cette vision utopique de l'environnement était davantage saisie comme une opportunité pour les acteurs du projet de centrale houlomotrice, tandis qu'en France, cette vision utopique de l'environnement menaçait l'idéologie technologique incarnée par l'énergie nucléaire. / This thesis is dealing with the reality of an environmental utopia of cooperation between Nature and Technique in the energy sector, in the renewables in the United-Kingdom and in the nuclear energy in France. In a first part, we have established that energy systems, through cooperation projects between Nature and Technique, offered an interesting map of the competition, and more and more of the cooperation, between Nature and Technique in the studied discourses and practices, and especially in France. The second part of this work was about to show to what extent any resistances to these visions of Nature and Technique were stronger in France rather than in the United-Kingdom, because the se visions, as we have seeing in the first part, were more explicit in France. In the last part of this research, the aim was to demonstrate to what extent these representations of Nature and Technique cooperating meant the meeting of technological ideologies, belonging to the energy field, and of utopian visions of environment. We managed to show that, in the United-Kingdom, this utopian vision of the environment was more understood as a chance for energy actors in a project of a wave power plant, instead of France, where these utopian visions of the environment were a threat for the technological ideology, embodied by the nuclear energy

Dans un contexte de raréfaction des énergies à bas coût et de lutte contre le changement climatique, le secteur du bâtiment est contraint à des objectifs de diminution de ses consommations d'énergie. Un contrôle adapté des systèmes énergétiques du bâtiment peut constituer un levier important pour tendre vers cet objectif. Le but premier de ces travaux est la construction de modèles de faibles dimensions afin de pouvoir les embarquer dans un contrôleur pour améliorer la gestion énergétique. Ces modèles doivent être capables de s’enrichir des mesures disponibles sur site. Un bâtiment démonstrateur situé à l'Institut Universitaire de Technologie Génie Civil Construction Durable de Bordeaux sert de support au projet. Ce travail se décline en quatre volets. Le premier concerne la modélisation puisque des modèles légers basés sur l'analogie électrique et la représentation d'état sont proposés afin de décrire la dynamique du bâtiment sur un horizon de contrôle de quelques jours. Le deuxième volet concerne l'instrumentation du bâtiment puisque des campagnes de mesures courtes sont réalisées afin d'identifier les valeurs des paramètres du modèle de façon à minimiser l'écart modèle-mesure. Certains capteurs servent par la suite pour la gestion énergétique du bâtiment ; ces travaux posent donc également la question du jeu minimal de capteurs. Le troisième volet concerne la caractérisation des systèmes servant à piloter l'ambiance puisque dans une logique de contrôle optimal il faut être capable de relier l'effet de la commande sur la grandeur d'intérêt (température de confort). Le bâtiment démonstrateur comprend deux systèmes de chauffage : un plancher chauffant et des ventilo-convecteurs ainsi qu'une centrale de traitement d'air double flux pour le renouvellement d'air. Le dernier volet concerne la gestion énergétique avec l'utilisation d'un contrôleur prédictif embarquant l'un des modèles identifiés. Ainsi l’objectif est de chercher à anticiper le pilotage d'un système capacitif à long temps de réponse, tel que le plancher chauffant, grâce à la connaissance des perturbations futures (occupation, météo) sur un horizon de prédiction de quelques heures. Un contrôle réactif est assuré par les ventilo-convecteurs en appoint. La gestion prédictive est comparée à des stratégies de gestion plus classiques en simulation et in situ avec le bâtiment démonstrateur. L'originalité de ces travaux est de proposer une démarche pour la mise en place d'une boucle de contrôle complète (contrôleur/capteur /actionneurs) et de montrer s'il existe un intérêt à la gestion prédictive de systèmes à long temps de réponse dans le domaine du bâtiment. / The building sector is forced to reduce its energy consumption in a context of high energy prices and global warming. Proper control of building energy systems can be an important lever to move towards this goal. The main goal of this work is to obtain small size buildings models in order to use it in a controller to improve energy management. The inputs of these models are fed in real-time with available measurements on site. A demonstration building at the IUT Civil Engineering and Sustainable Construction of Bordeaux serves as experimental support for the project. This work consists of four parts. The first one is to make lightweight models based on the electrical analogy and state-space representation to describe the dynamics of the building on upcoming days. The second part concerns the instrumentation of the building because short measurement campaigns are carried out to identify the model parameter values to minimize the gap between model output and measurement. Some sensors are then used for energy management of the building; thus this work also raise the question of the minimum set of sensors. The third address the characterization of the systems used to control air temperature. For an optimal control logic we must be able to link the effect of the command on the interest variable (air temperature). The demonstration building includes two heating systems : floor heating system (FHS) and fan coil units (FC). A dual flow air handling unit (AHU) is used for air renewal. The last part concerns energy management with the use of a predictive controller boarding one of the identified models. This project intends to anticipate the control of long time response capacitive systems as floor heating through knowledge of future disturbances on a prediction horizon of a few hours (occupation, weather). A reactive control is ensured by the fan coil units. Predictive management is compared to more conventional management strategies in simulation and on-site with the demonstrator building. The originality of this work is to propose a method for the establishment of a full control loop (controller/sensor/actuator) and demonstrate an interest in the predictive management of long response time systems in the building sector.

Les systèmes énergétiques désignent une classe de systèmes dont les spécificités structurelles et fonctionnelles posent la question de la distribution de l’énergie, en temps réel, pour satisfaire des services. Cette problématique multi-objectifs, nommée énergétique, a pour solution une stratégie de gestion,dont la conception représente un problème ouvert. Les verrous étudiés dans cette thèse s’inscrivent dans le cadre d’un partenariat industriel et en particulier celui des démarches de conception systémique. Trois contributions sont apportées. La première est une méthodologie de conception modulaire et générique de la stratégie énergétique, pour les systèmes multi-clients et multi-sources. Elle définit deux types d’éléments fonctionnels : les clients et les sources, interagissant par le biais d’un nœud, porteur de la stratégie. La seconde traite la simplification de la stratégie par une décomposition selon deux problématiques déjà connues de la littérature : l’hybridation de sources et la concurrence de clients. La troisième porte sur la sélection d’algorithmes novateurs ou existants, compatibles avec une cible temps réel, pour exécuter la stratégie. Enfin, la stratégie énergétique d’un camion frigorifique disposant d’une architecture énergétique hybride série est conçue par notre approche modulaire, et la faisabilité algorithmique est validée en simulation. / The energy systems describe a class of systems whose from structural and functional characteristics raise the problem of the energy distribution to satisfy the services in real time. The solution of this multi-objectives problem, namely energetic, is the energy management strategy, whose design is still an open problem. The solutions studied in this thesis are incorporated in the framework of an industrial partnership and particularly in those systemic design approaches. The first contribution is a methodology of modular and generic design of the energy management strategy, for the multi- clients and multi-sources systems. It defines two types of functional elements: the clients and the sources, interacting through a node, which is the carrier of thestrategy. The second contribution deals with thegeneric formulation of the strategy and itssimplification by means of decomposition in accordance with two problems: the hybridization of sources and the competition of clients, which a real ready known in the literature. The third contribution is partial to the selection of innovative or existing algorithms, which are compatible with a real-time target to execute the strategy. Finally, the energy strategy of a refrigerated truck with a hybrid energy architecture is designed by the proposed modular approach, and the algorithm feasibility is validated by the simulation.

L'hydrogène… Cet élément simple et très abondant pourrait être un contributeur clé à la transition énergétique, mais dans quelles conditions technico-économiques et politiques ? Cette thèse propose une contribution à l'évaluation de la faisabilité de pénétration de l'hydrogène dans le système énergétique, en mettant en oeuvre différents modèles qui permettent des éclairages complémentaires. Elle se concentre sur l’hydrogène bas carbone, obtenu par électrolyse de l’eau.Notre analyse multirégionale qui porte sur le contexte énergétique européen, américain, chinois et japonais (régions qui présentent des défis énergétiques contrastés) montre que les politiques énergétiques actuelles ne facilitent qu’une faible pénétration de l'hydrogène dans le système énergétique, lui permettant de réaliser environ 3% de l’effort à fournir par les quatre régions afin de limiter l’augmentation de la température à 2°C par rapport aux niveaux préindustriels. Nous soulignons dans cette thèse que l’injection d’hydrogène dans les réseaux de gaz naturel qui permet dans une certaine mesure d’éviter des fuites de méthane à fort pouvoir de réchauffement, pourrait jouer un rôle significatif dans la réalisation des objectifs de réduction des émissions de gaz à effet de serre.L'analyse des marchés de l'hydrogène a été menée en deux étapes. Tout d'abord, chaque marché (industriel ou énergétique) a été abordé individuellement afin d’établir des coûts d'entrée sur ce marché (pour les différents contextes énergétiques considérés). Ensuite, les différentes applications de l’hydrogène ont été resituées en interaction avec l’ensemble du système énergétique à travers le modèle TIMES-PT et un cas d’étude portant sur le Portugal, permettant ainsi d’examiner le potentiel de couplage entre les secteurs énergétiques rendu possible par l’hydrogène. Ces travaux ont permis de qualifier l'attractivité des différents marchés, celui de la mobilité apparaissant comme le plus favorable.Nous nous sommes ensuite intéressés aux coûts requis sur l'ensemble de la chaîne d'approvisionnement en hydrogène afin de pénétrer le marché de la mobilité.Pour ce faire, nous avons utilisé des modèles avec une maille géographique et temporelle fine (GLAES, EuroPower et InfraGis), en commençant par l’étape de production. Nous avons étudié le rôle potentiel de l'hydrogène pour la fourniture de flexibilité au système électrique dans un contexte de forte pénétration des énergies renouvelables intermittentes en France. Nos résultats montrent que l’hydrogène pourrait permettre non seulement d’éviter d’écrêter la production d’énergies renouvelables (entre 1,4 et 7,9 TWh en fonction du scénario de capacité d’interconnexion), mais pourrait aussi mettre à profit l’énergie nucléaire disponible (bas carbone donc), évitant par-là d’imposer de fortes rampes de puissances aux centrales. Cependant, une attention particulière doit être accordée au taux d'utilisation de l'électrolyseur afin de maintenir les coûts de production d'hydrogène suffisamment bas.Enfin, nous nous sommes concentrés sur l’approvisionnement de l’hydrogène, depuis les sites de production jusqu’à l’utilisation pour la mobilité, la question de l’infrastructure étant un problème majeur entravant les investissements dans l’hydrogène. Cinq filières d’approvisionnement (transport et distribution) ont été développées à la maille régionale et comparées sur le plan économique pour le cas français. Nos résultats montrent que, lors des toutes premières phases de pénétration du marché (scénario 1%), il est plus intéressant de privilégier la production décentralisée. / Hydrogen… This simple, very abundant element holds great promise to contribute to the transition towards a cleaner future energy system, but under which techno-economic and political conditions? This thesis is a contribution to the assessment of the hydrogen penetration feasibility into the energy system, using a multi-model approach. The focus is put on low-carbon hydrogen, obtained by electrolysis.Our multi-regional analysis on the European, American, Chinese and Japanese energy context (presenting contrasted energy challenges) show that, with the current energy policies implemented which result in a modest penetration of hydrogen into the energy system, hydrogen may achieve approximately 3% of the effort that needs to be done by the four regions, in order to limit the increase of the temperature to 2°C, compared to preindustrial levels. We highlight in this thesis that blending hydrogen with natural gas, and thereby avoiding methane leakages to a certain extent, may represent a significant contribution in achieving the carbon mitigation goals.The hydrogen market analysis has been carried out following two steps. First, each market (industrial and energy-related) was tackled aside in order to propose market entry costs considering the four energy contexts and investigate the timeframe of the market penetration potential. Then, the different hydrogen applications were examined within the overall energy system through the TIMES-PT model (for a Portugal case study), allowing to investigate the hydrogen potential for energy sector coupling. Based on this work, the markets attractiveness was evaluated: mobility (using fuel cell vehicles) appears to be the most favourable.Then, we tackled the required costs over the whole hydrogen supply chain in order to enter the mobility market.To do so, we used temporally and spatially resolved models (GLAES, EuroPower and InfraGis) starting with the production side where we studied the hydrogen potential role in providing the electricity system with flexibility and the impact of such electrolysis operation on the hydrogen generation costs in the context of high shares of renewable energies in France. Our results show that hydrogen can contribute to improve the flexibility of the electric system by allowing avoiding renewable curtailment (between 1.4 and 7.9 TWh depending on the interconnection capacity scenario) but also by taking advantage of nuclear plant available energy (thereby avoiding nuclear ramping), the latter ensuring a low carbon and low cost electricity provision. However, a special attention needs to be dedicated to the utilisation rate of the electrolyser, to keep the hydrogen production costs low enough.Last but not least, we focused on how to link the hydrogen production sites and its final use for mobility applications, the delivery infrastructure being a major issue hampering the hydrogen investments. Five transport and delivery pathways were geographically designed and economically assessed, for the French case. According to our findings, during the very first market penetration phases (1% scenario), it is more interesting to start with decentralised production that proved to be less expensive for the whole pathway at this stage.

Le travail présenté ici a pour objectifs d’étudier et d’optimiser les performances énergétiques d’un chauffe-eau thermodynamique couplé à un stockage par chaleur sensible. La ressource utilisée consiste en la récupération de chaleur sur l’air extrait d’un logement de type collectif. L’enjeu est de caractériser les conditions dans lesquelles le système est capable d’assurer les besoins avec des performances requises lorsque les conditions aux limites sont très fluctuantes. Sur le plan fonctionnel, le système doit être le plus simple possible du point de vue de sa configuration hydraulique et de sa stratégie de régulation.Pour cette étude, nous avons développé un modèle physico-corrélatif sur TRNSYS pour simuler et analyser les différents scenarios et les couplages thermohydrauliques entre les composants du système. En parallèle de cette démarche de modélisation, nous avons conçu et mis en œuvre un dispositif expérimental à l’échelle 1 à des fins de validation du modèle sur une large plage de conditions opératoires.L’analyse des résultats, notamment sur la nature des écoulements au sein du ballon de stockage, a mis en évidence l’influence majeure d’un certain nombre de paramètres sur les performances du système. En particulier, la robustesse des performances face à des fluctuations importantes des conditions aux limites peut être assurée grâce à une stratégie de régulation adaptée.Cette étude a finalement conduit à proposer un modèle réduit pour le dimensionnement du système qui prend en compte les paramètres le plus pertinents pour la stratégie de régulation. / The work presented here aims to study and optimize the energy efficiency of a heat pump water heater coupled with a sensible heat storage. The resource used consists of heat recovery from exhaust air of a collective type of housing. The challenge is to characterize the conditions in which the system is capable of ensuring the needs with performance required when the boundary conditions are very volatile. Functionally, the system should be as simple as possible from the viewpoint of its hydraulic configuration and its control strategy.For this study, we developed a TRNSYS numerical model to simulate and analyze different scenarios and thermal hydraulic couplings between the system components. In parallel with this modeling approach, we designed and implemented an experimental set up with realistic scale to validate the model over a wide range of operating conditions.The analysis of the results, including the nature of flows within the storage tank, highlighted the major influence on a number of parameters on the system performance. In particular, the robust performance in the face of significant fluctuations of the boundary conditions can be ensured through appropriate control strategy.This study eventually led to propose a model for the design of the system that takes into account the most relevant parameters for the control strategy.