Academic literature on the topic 'Transition énergétique – Batteries'

Plusieurs pans de la « transition énergétique », en particulier l’évolution du secteur électrique et l’électrification des transports, reposent sur le stockage d’énergie et notamment sur les batteries. Après avoir décrit la constitution et le fonctionnement d’une batterie lithium-ion, nous analysons les progrès espérés et l’impact environnemental de ces batteries dans le cas d’un déploiement massif. Enfin, nous tentons de mieux cerner les usages pour lesquels les batteries sont vraiment pertinentes et ceux pour lesquels il convient de trouver des solutions complémentaires.

La transition énergétique prévoit de réduire à 50 % la part du nucléaire dans le mix électrique, pour augmenter celles de l’éolien et du solaire. Or, ces énergies intermittentes nécessitent des moyens pour rééquilibrer le réseau. Nous en dégageons les ordres de grandeur, grâce à une méthode initiée pour la transition énergétique allemande (Energiewende). En ce qui concerne le mix retenu pour la France, un quart de la production intermittente, 44 TWh, devrait être transféré entre périodes de surplus et de manque. Ce serait possible avec un stockage de grande taille – 15 TWh de volume et 45 GW de puissance – qui malheureusement dépasse largement les moyens connus (barrages hydroélectriques, batteries…). Sans ce stockage, les centrales à combustibles fossiles pallieraient la demande, dégradant ainsi l’empreinte carbone. Ceci se voit déjà dans les résultats de la décennie écoulée en Allemagne et en Europe.

La transition énergétique constitue un processus multiforme mettant en jeu une diversité de ressources, parties prenantes, réseaux, intérêts, infrastructures, géographies, relations de pouvoir et imaginaires. À la triple frontière entre l’Argentine, la Bolivie et le Chili, de nouvelles géographies énergétiques émergent au tournant du xxi e siècle. Celles-ci reposent sur la multiplication des projets d’exploitation de lithium, une ressource clé pour la production de batteries lithium-ion devant servir la décarbonation mondiale du secteur des transports et de l’industrie, et la construction de nouvelles infrastructures solaires pour répondre à la hausse des besoins nationaux et régionaux. La transition se lit localement par de nouvelles matérialités qui transforment les paysages. Ces projets illustrent un prolongement des activités extractives dans les marges andines sous d’autres formes. La transition permet de reconstruire les ressources locales comme des sources de richesses mais aussi de progrès et de durabilité, comme en attestent les discours des promoteurs du développement des projets lithinifères et solaires. Cet extractivisme vert entretient un nouveau cycle de marchandisation de la nature en Altiplanie, porté par des entreprises globales avec, parfois, des alliances directes entre acteurs du lithium et de l’énergie solaire. Sources de bifurcations énergétiques locales par le développement de l’accès au service dans des territoires peu ou pas connectés, les projets sont aussi porteurs de fragilités pour les territoires d’accueil à cause de leurs conséquences socio-environnementales dans des régions qui ne sont pas vides malgré certains discours centraux.

La Société Le Nickel est l’un des premiers producteurs mondiaux de ferronickel, indispensable à la fabrication d’aciers inoxydables, de batteries et d’aimants permanents, nécessaires à la transition énergétique. Le nickel est ainsi reconnu comme une matière première critique par la Commission européenne. Son exploitation et sa production sont aussi essentielles à la Nouvelle-Calédonie, occupant environ 10 000 emplois directs, indirects et induits. En concurrence mondiale, la Nouvelle-Calédonie doit répondre à deux défis : le prix de l’électricité et l’accès aux ressources, qui présuppose une acceptabilité de l’exploitation par les différentes parties prenantes, ce qui implique notamment une réduction de son empreinte carbone, tant par des économies d’énergie que par de nouvelles sources d’énergies décarbonées pour l’alimenter. L’investissement requis suppose en retour une visibilité de long terme sur l’accès à la ressource.

La directive sur les émissions industrielles – refonte de celle de 2008 relative à la prévention et réduction intégrées de la pollution – (ci-après « IED ») 2010/75/UE couvre environ 50 000 activités industrielles qui sont responsables d’environ 40 % des émissions de gaz à effet de serre de l’UE, 50 % des émissions de polluants de l’air, et 20 % en flux pour les émissions dans l’eau avec un coût externe évalué entre 277 et 433 milliards d’euros par an 1 . Les principales dispositions découlent des obligations fixées dans les prescriptions contenues dans les permis, déterminées par les autorités compétentes des États membres. Les conditions d’autorisation doivent respecter des principes et obligations généraux, notamment la cohérence des conditions d’autorisation avec les conclusions sur les Meilleures Techniques Disponibles (MTDs) des documents de référence de meilleures techniques disponibles (dits les « BREFs »), qui sont périodiquement révisés sur une base d’échange d’informations entre l’industrie concernée, les États membres, les ONG de protection de l’environnement (tels que le Bureau Européen de l’Environnement – EEB) et la Commission européenne. L’auteur aborde les points clefs et grands enjeux de la révision de l’IED (ci-après « IPPC 3.0 ») et du Règlement sur le Portail sur les Émissions Industrielles (ci-après « IEP-R »), de sa perspective (personnelle) et/ou pour le compte de son organisation (EEB), notamment en ce qui concerne la question sur la plus-value éventuelle de ce nouveau cadre pour définir ou promouvoir une « industrie propre », avec des points de frictions entre le positionnement des ONG, certaines industries (notamment de l’élevage intensif) et/ou certains gouvernements sur ces points. Remarque : L’évaluation ci-dessous suppose que la version de l’accord commun (15 décembre 2023) constitue la version finale 2 . En résumé, le cadre révisé pourra apporter quelques avancées utiles sur la transition vers une industrie propre sur les aspects suivants : Un recadrage de ce qui est une meilleure technique disponible (MTD), qui exclura toute option de l’âge fossile et qui se focalisera davantage sur la protection de la santé et la substitution de substances dangereuses. La plus-value concrète de la nouvelle définition de « transformation en profondeur » avec un triple objectif de protection à atteindre avant 2050 dépendra largement de l’honnêteté et de l’engagement réel des parties prenantes dans la détermination de ces nouvelles MTDs, y compris pendant la phase d’élaboration des plans de transitions par les opérateurs. Le devoir pour l’opérateur d’élaborer des « plans de transformations » par installation, même si on s’attend à du concret, risque de devenir un exercice de greenwashing . Le fait que ces plans doivent être faits au plus tard en 2030 est déjà trop tardif pour certains secteurs dont les investissements portent sur 15 à 20 ans. Alors que l’aspect d’efficience de l’utilisation des ressources est renforcé notamment en ce qui concerne l’eau, une incohérence juridique et sur le fond persiste quant à l’aspect de l’efficacité énergétique, qui reste au bon vouloir des opérateurs et des autorités compétentes. Les exigences concrètes de performances à atteindre restent encore à définir pour la majorité des secteurs. L’approche d’alignement quasi systématique par les autorités des valeurs limites d’émissions vers la fourchette haute des niveaux d’émissions associés aux MTDs (NEA-MTD) a été inversée sur le principe, mais avec une naïveté des décideurs politique effrayante vu que ce seront : 1) les opérateurs concernés eux-mêmes qui devront élaborer une analyse de non-faisabilité de se conformer à la fourchette NEA-MTD la plus stricte ; 2) qu’aucun délais précis n’a été fixé pour ces opérateurs de revoir leurs permis ; et 3) aucun devoir explicite de contradictoire avec le public concerné sur ce que l’opérateur compte faire en ce qui concerne ses installations. La révision des permis en question pourra être repoussée au plus tard de 12 ans par les autorités compétentes, ce qui permettra aux autorités compétentes proches de leur industrie de maintenir un statu quo pour la décennie à venir. A contrario une nouvelle dynamique est créée pour les États membres qui transposent les conclusions MTD par des prescriptions générales, tels que la France. Dorénavant ils devront fixer les règles en conformité de l’esprit IED, c’est-à-dire la prévention/réduction des émissions en s’orientant vers les fourchette strictes. À l’inverse on va faire une régression réglementaire généralisée sur les élevages intensifs par rapport à 1996/2010 concernant les porcs et volailles ainsi qu’une inaction sur l’élevage des bovins. Les dispositions sur le renforcement du droit à indemnisation des victimes de pollution et des sanctions ont été affaiblies de telle manière qu’on constate une inversion du principe pollueur payeur. L’extension du champ d’application (activité minière, Giga fabriques de batteries) est dérisoire, de mineures avancées ont été prévus pour la (co)-incinération des déchets. Des avancées sur la transparence et mise en contexte utile des données de performances environnementales ont été apportées notamment par le règlement connexe établissant le Portail sur les émissions industrielles et l’obligation de système de e -permis / procédures par voie électroniques.

Tarif prosumer : ces deux mots ont fait couler beaucoup d’encre dernièrement. Alors qu’ils utilisent le réseau de distribution d’électricité pour injecter et pour prélever de l’électricité, les prosumers, principalement des particuliers ayant installés des panneaux photovoltaïques sur leur toit, ne contribuent presque pas à son financement. Cela s’explique par le fait que la facture est basée sur la consommation nette, c’est à dire le solde entre les prélèvements et les injections d’électricité sur le réseau. Pour une installation photovoltaïque dont la production est supérieure ou égale à la consommation, les deux flux se compensent et la facture est quasi nulle. Acté depuis 2 ans, le tarif prosumer proposé par la CWaPE, le régulateur de l’énergie en Wallonie, a pour objectif de faire contribuer plus équitablement les prosumers au financement du réseau électrique à partir de janvier 2020. Cependant en janvier 2019, le Ministre de l’Energie a souhaité limiter l’application de ce tarif prosumer aux installations postérieures à juin 2019, exonérant ainsi les plus de 150 000 ménages disposant actuellement d’une unité de production décentralisée chez eux. Au-delà de cette controverse, l’objectif de ce numéro de Regards économiques est d’expliquer pourquoi la tarification actuelle est inadaptée à l’émergence de ces ménages qui sont à la fois producteurs et consommateurs d’électricité. Cet article se base sur les résultats de nos travaux scientifiques appliqués à la situation wallonne. Nous y montrons qu’un tarif calculé sur base volumétrique via un compteur ne permettant pas de mesurer séparément le prélèvement et l’injection d’électricité ne crée pas des incitations correctes pour les prosumers. Entre autres, nous observons que ce système n’encourage pas de la meilleure manière possible l’autoconsommation, c’est-à-dire la consommation de l’électricité sur son lieu de production, et qu’il mène dans certains cas à une augmentation de la consommation d’électricité des prosumers. Sur base de ces constats, nous proposons de faire évoluer la tarification actuelle afin d’éviter ces lacunes et de mieux refléter les différents services rendus à l’ensemble des utilisateurs du réseau. Tout d’abord, la structure tarifaire doit évoluer et la facture doit moins dépendre du volume d’électricité consommé. Pour maintenir les revenus du réseau, une redevance réseau fixe plus importante doit être mise en place. Celle-ci devrait être capacitaire et calculée sur base de la consommation de pointe. Enfin, il nous semble indispensable de différencier le tarif lié au prélèvement et à l’injection d’électricité via un basculement généralisé vers des compteurs double flux. Les nouvelles technologies chamboulent les interactions entre les différents consommateurs et le réseau d’électricité. Aujourd’hui, ce sont les technologies de production décentralisée et demain ce sera au tour des batteries ou de l’autoconsommation collective. Rien n’est immuable et la tarification se doit d’évoluer face aux changements observés. Les travaux de recherche discutés dans ce numéro de Regards économiques sont réalisés dans le cadre du projet de recherche Transition énergétique, consommateurs et réseaux – TECR qui est financé par la Région Wallonne et dont la conférence de clôture aura lieu le 21 mars à Liège. Renseignements et inscriptions : https://hec-liege.events.idloom.com/transition-energetique-PM

Tarif prosumer : ces deux mots ont fait couler beaucoup d’encre dernièrement. Alors qu’ils utilisent le réseau de distribution d’électricité pour injecter et pour prélever de l’électricité, les prosumers, principalement des particuliers ayant installés des panneaux photovoltaïques sur leur toit, ne contribuent presque pas à son financement. Cela s’explique par le fait que la facture est basée sur la consommation nette, c’est à dire le solde entre les prélèvements et les injections d’électricité sur le réseau. Pour une installation photovoltaïque dont la production est supérieure ou égale à la consommation, les deux flux se compensent et la facture est quasi nulle. Acté depuis 2 ans, le tarif prosumer proposé par la CWaPE, le régulateur de l’énergie en Wallonie, a pour objectif de faire contribuer plus équitablement les prosumers au financement du réseau électrique à partir de janvier 2020. Cependant en janvier 2019, le Ministre de l’Energie a souhaité limiter l’application de ce tarif prosumer aux installations postérieures à juin 2019, exonérant ainsi les plus de 150 000 ménages disposant actuellement d’une unité de production décentralisée chez eux. Au-delà de cette controverse, l’objectif de ce numéro de Regards économiques est d’expliquer pourquoi la tarification actuelle est inadaptée à l’émergence de ces ménages qui sont à la fois producteurs et consommateurs d’électricité. Cet article se base sur les résultats de nos travaux scientifiques appliqués à la situation wallonne. Nous y montrons qu’un tarif calculé sur base volumétrique via un compteur ne permettant pas de mesurer séparément le prélèvement et l’injection d’électricité ne crée pas des incitations correctes pour les prosumers. Entre autres, nous observons que ce système n’encourage pas de la meilleure manière possible l’autoconsommation, c’est-à-dire la consommation de l’électricité sur son lieu de production, et qu’il mène dans certains cas à une augmentation de la consommation d’électricité des prosumers. Sur base de ces constats, nous proposons de faire évoluer la tarification actuelle afin d’éviter ces lacunes et de mieux refléter les différents services rendus à l’ensemble des utilisateurs du réseau. Tout d’abord, la structure tarifaire doit évoluer et la facture doit moins dépendre du volume d’électricité consommé. Pour maintenir les revenus du réseau, une redevance réseau fixe plus importante doit être mise en place. Celle-ci devrait être capacitaire et calculée sur base de la consommation de pointe. Enfin, il nous semble indispensable de différencier le tarif lié au prélèvement et à l’injection d’électricité via un basculement généralisé vers des compteurs double flux. Les nouvelles technologies chamboulent les interactions entre les différents consommateurs et le réseau d’électricité. Aujourd’hui, ce sont les technologies de production décentralisée et demain ce sera au tour des batteries ou de l’autoconsommation collective. Rien n’est immuable et la tarification se doit d’évoluer face aux changements observés. Les travaux de recherche discutés dans ce numéro de Regards économiques sont réalisés dans le cadre du projet de recherche Transition énergétique, consommateurs et réseaux – TECR qui est financé par la Région Wallonne et dont la conférence de clôture aura lieu le 21 mars à Liège. Renseignements et inscriptions : https://hec-liege.events.idloom.com/transition-energetique-PM

En 30 ans, les batteries Li-ion ont littéralement colonisé notre environnement depuis et leur déploiement s’accélère. Puissante, efficace, légère et compacte, cette technologie présente des problèmes de sécurité. C’est pourquoi la plupart de ces batteries sont équipées de systèmes de gestion. Ils nécessitent l’accès à certains états internes qui ne sont pas tous mesurables. Cette thèse se propose d’estimer les variables en question à l’aide d’observateurs non-linéaires. Un observateur permet d’estimer des états inaccessibles à la mesure, à partir des mesures disponibles et d’un modèle mathématique des dynamiques mises en jeu. Les transports électrochimiques à l’œuvre dans les batteries sont responsables de leur comportement. Nous en proposons un modèle électrochimique adapté à l’observation. Celui-ci repose sur la discrétisation spatiale des équations aux dérivées partielles décrivant ces phénomènes et sur une série d’hypothèses. Présenté comme un système sous forme de représentation d’état, les dynamiques sont affines et l’équation de sortie est non-linéaire. Parmi les observateurs de systèmes à sortie non-linéaire dont nous avons connaissance, aucun ne peut s’appliquer directement au modèle proposé. Nous en avons donc développé de nouveaux dont la stabilité est garantie lorsqu’une inégalité matricielle est satisfaite. Nous avons ensuite confronté ces observateurs à des données expérimentales d’éléments commercialisés. Le comportement de l’observateur est encourageant et semble être un bon compromis entre sens physique et complexité numérique
Developed in the nineties, lithium batteries have colonized our environment in less than thirty years and they keep spreading faster and faster. Powerful, efficient, light and compact, this technology remains hazardous. In order to limit the danger and slow the aging of lithium cells, most of such batteries embed a management system. The latter needs to access some internal states, which are not directly measurable. This thesis intends to estimate these variables using a nonlinear observer, which is based on an electrochemical model. The behavior of the battery is driven by the transportation phenomenon of its main electrochemical species. We therefore built a finite dimensional electrochemical model of these adapted to estimation. It relies on the spatial discretization of the partial differential equations, which describe these transportation phenomena. It also formulates some assumptions, such as the fact that an electrode globally behaves like a single particle of its active material. The obtained state space model has affine dynamics and a nonlinear output. Among the existing observers for such systems that we are aware of, none can be applied directly to the developed model. Hence, we developed new ones whose stability is guaranteed provided a linear matrix inequality holds, which is used to construct the observation gain. We then confront these observers to experimental data acquired on commercialized batteries. The obtained results are encouraging and the observer seems to be a fair compromise between physical meaning and numerical complexity

À travers cette thèse, nous avons exploré les défis liés à la transition énergétique et particulièrement au stockage d’électricité dans des batteries à électrolyte solide. Bien que le développement de cette technologie et les avancées des performances et de sécurité sont considérées comme une révolution, des recherches récentes ont constaté que les phénomènes d’emballement thermique pourraient également se produire. La tomographie à rayons X permet d’observer ce phénomène en trois dimensions et au fil du temps. Cependant, si l’on souhaite comparer des images à deux instants différents, avant et après un certain nombre de cycles de charge et de décharge, les méthodes de recalage d’image conventionnelles ne permettent pas la compréhension fine des phénomènes physiques qui en sont responsables. Dans le cadre de cette thèse, nous avons développé une approche novatrice. Il s’agit de transformer l’image d’un état à l’autre en s’appuyant sur un jumeau numérique. Afin d’avoir un jumeau numérique identique à son homologue physique, il est important d’identifier les phénomènes physiques dominants (ici la thermo-élasticité), de les décrire avec des expressions mathématiques, qui sont ensuite résolues à l’aide d’éléments finis sur la géométrie initiale obtenue par tomographie à rayons X. Ce modèle est ensuite complété avec les propriétés physiques des matériaux, les conditions initiales et les conditions in-situ autour de l’objet d’étude. Le modèle contient aussi des paramètres qui sont difficiles à quantifier en amont. Dans le cas du cyclage des batteries, il est nécessaire de trouver la quantité de chaleur générée par les processus électrochimiques à un instant t qui évoque les mêmes déformations que celles observées dans la cellule réelle. Cette comparaison est réalisée à l’aide d’un algorithme du Dense Optical Flow, ou à chaque résolution d’image, un problème inverse est résolu, donnant la quantité de chaleur recherchée. Une fois que ce jumeau numérique élaboré, nous avons testé numériquement sa capacité. Dans ce but, l’algorithme a été utilisé pour analyser une séquence d’images synthétiques des cellules déformées sous l’effet d’une source de chaleur connue. À travers diverses études de sensibilité, la robustesse de l’algorithme a pu être démontrée : l’algorithme est capable de donner des résultats très précis même dans le cas des images de petites tailles, de faible résolution et présentant un bruit accentué. La validation expérimentale de la méthode a été réalisé à l’aide d’un bimétal constitué de deux matériaux de conductivité thermique différente. Ce dernier est plongé dans un récipient chauffé à l’aide d’un bain thermostaté et positionné au sein d’un tomographe, permettant ainsi d'acquérir des séquences d’images radiographiques illustrant l’effet du changement de température lors du chauffage et du refroidissement de l’eau sur le bimétal. Des résultats probants ont démontré que le jumeau numérique du bimétal a généré des images quasi identiques aux images réelles. De surcroît, le champ de température obtenu est étroitement similaire de celui enregistré par un thermocouple. Ces résultats constituent une validation expérimentale de ce modèle de recalage d’images basé sur la physique. Le jumeau numérique nécessite une puissance de calcul plus importante que les algorithmes de recalage conventionnels. Afin de faire face à ce problème, un maillage non-uniforme et adaptatif a été mis-en-œuvre. Les résultats obtenus se sont révélés très satisfaisants, alliant à la fois une précision des résultats et un gain de temps de calcul. Ce développement a ensuite permis d’appliquer l’algorithme sur les vraies images tri-dimensionnelles de la cellule de batterie. Enfin, le développement de cet algorithme offre un large éventail d’applications prometteuses, en particulier la prédiction des signes initiaux de déformation des batteries à électrolyte solide.Mots clés : Recalage d’image, Batteries solides, Imagerie à rayons X, Jumeau numérique
In this thesis, we have explored some of the challenges related to the energy transition, with a particular focus on electricity storage in solid-state batteries. Although the introduction of this technology and the improvements in performance and safety over the traditional liquid electrolytes are considered revolutionary, recent research has revealed that thermal runaway could still occur. X-ray tomography enables to observe this phenomenon in three dimensions and over time. However, if we want to compare images at two different instants in time, before and after a certain number of charge and discharge cycles, conventional image registration methods do not provide a detailed understanding of the underlying physical phenomena. Within the scope of the current doctoral research project, we have developed an innovative solution to this problem. It involves transforming the image from one state to another based on a digital twin. To ensure that the digital twin is identical to its physical homologue, it is important to identity the dominant physical phenomena (in this case, thermo-elasticity) and describe them with mathematical expressions, then solve them by means of finite elements on the initial geometry obtained by X-ray tomography. This model is then completed with the physical properties of the materials, the initial conditions and the in-situ conditions surrounding the object under study. Furthermore, the model contains parameters that are a challenging to quantify in advance. In the case of battery cycling, it is necessary to find the quantity of heat generated by the electrochemical processes at an instant t that causes the same deformations as those observed in the real cell. This comparison is carried out by means of a Dense Optical Flow algorithm, where at each image resolution, an inverse problem is solved, yielding the sought heat source or sink. Once this digital twin had been developed, we evaluated its numerical capabilities. First, the algorithm was employed to analyze a sequence of synthetic images of cells deformed under the effect of a known heat source. Through various sensitivity studies, the robustness of the algorithm was demonstrated: the algorithm is capable to provide highly accurate results even for images of small size, low resolution and high levels of noise. Next, experimental validation of the method was carried out using a bimetal consisting of two materials with different thermal conductivities. This sample is immersed in a vessel whose temperature is controlled by means of a thermostatic bath. The vessel is set up inside a tomograph, enabling to acquire a sequence of X-ray images over time, effectively demonstrating the impact of temperature variations on the bimetal. Convincing findings showed that the digital twin of the bimetal generated images that were matching the real ones. Furthermore, the temperature field obtained was closely similar to the one recorded with the thermocouple. These results constitute an experimental validation of this physics-based image registration model. Digital twins have a higher computational cost than conventional registration algorithms. To address this problem, a non-uniform, adaptive mesh was implemented. The results obtained were highly satisfactory, effectively combining both accuracy and computation time savings. This development then enabled the algorithm to be applied to real three-dimensional images of the battery cell. Overall, the development of this algorithm offers a broad spectrum of promising applications, in particular the prediction of early indications of deformation in solid-state batteries.Keywords: Image registration, Solid-state batteries, X-ray imaging, Digital twin

En 30 ans, les batteries Li-ion ont littéralement colonisé notre environnement depuis et leur déploiement s’accélère. Puissante, efficace, légère et compacte, cette technologie présente des problèmes de sécurité. C’est pourquoi la plupart de ces batteries sont équipées de systèmes de gestion. Ils nécessitent l’accès à certains états internes qui ne sont pas tous mesurables. Cette thèse se propose d’estimer les variables en question à l’aide d’observateurs non-linéaires. Un observateur permet d’estimer des états inaccessibles à la mesure, à partir des mesures disponibles et d’un modèle mathématique des dynamiques mises en jeu. Les transports électrochimiques à l’œuvre dans les batteries sont responsables de leur comportement. Nous en proposons un modèle électrochimique adapté à l’observation. Celui-ci repose sur la discrétisation spatiale des équations aux dérivées partielles décrivant ces phénomènes et sur une série d’hypothèses. Présenté comme un système sous forme de représentation d’état, les dynamiques sont affines et l’équation de sortie est non-linéaire. Parmi les observateurs de systèmes à sortie non-linéaire dont nous avons connaissance, aucun ne peut s’appliquer directement au modèle proposé. Nous en avons donc développé de nouveaux dont la stabilité est garantie lorsqu’une inégalité matricielle est satisfaite. Nous avons ensuite confronté ces observateurs à des données expérimentales d’éléments commercialisés. Le comportement de l’observateur est encourageant et semble être un bon compromis entre sens physique et complexité numérique
Developed in the nineties, lithium batteries have colonized our environment in less than thirty years and they keep spreading faster and faster. Powerful, efficient, light and compact, this technology remains hazardous. In order to limit the danger and slow the aging of lithium cells, most of such batteries embed a management system. The latter needs to access some internal states, which are not directly measurable. This thesis intends to estimate these variables using a nonlinear observer, which is based on an electrochemical model. The behavior of the battery is driven by the transportation phenomenon of its main electrochemical species. We therefore built a finite dimensional electrochemical model of these adapted to estimation. It relies on the spatial discretization of the partial differential equations, which describe these transportation phenomena. It also formulates some assumptions, such as the fact that an electrode globally behaves like a single particle of its active material. The obtained state space model has affine dynamics and a nonlinear output. Among the existing observers for such systems that we are aware of, none can be applied directly to the developed model. Hence, we developed new ones whose stability is guaranteed provided a linear matrix inequality holds, which is used to construct the observation gain. We then confront these observers to experimental data acquired on commercialized batteries. The obtained results are encouraging and the observer seems to be a fair compromise between physical meaning and numerical complexity

Cette thèse explore l'utilisation de modèles mathématiques pour accompagner une transition énergétique à faible émission de carbone pour l'Equateur. Une première approche considère une optimisation linéaire pour évaluer l'expansion des secteurs de l'énergie et de l'utilisation des terres et le modèle intégré ELENA est utilisé. Il est combiné avec le modèle de répartition urbs pour aller plus loin dans l'évaluation du système électrique face à une massification du transport électrique et il est également considéré dans le contexte d'une étude de synthèse axée sur la décarbonisation du secteur des bâtiments. La seconde approche de modélisation utilise les concepts de la théorie des jeux et plus particulièrement les modèles Single-Leader-Multi-Follower (SLMF). Une mise en oeuvre du modèle SLMF est effectuée pour le transport de marchandises afin de saisir l'effet d'une taxe carbone dans la transition vers des véhicules plus propres. Ce travail souligne la nécessité d'utiliser plusieurs modèles afin d'avoir une meilleure idée des interactions et des mesures à mettre en place pour soutenir la transition énergétique. Bien que l'étude soit réalisée pour l'Equateur, les méthodologies sont d'application générale
This thesis explores the use of mathematical models to support a low carbon energy transition for Ecuador. Afirst approach considers a least-cost linear optimisation to evaluate the expansion of energy and land-use sectors and the integrated model ELENA is used. It is combined with the dispatch model urbs to go further in the evaluation of electric system face to a massification of electric transport and it is also considered on the context of a synthesis study focused on the ecarbonization of the Buildings Sector. The secondmodelling approach uses concepts of game theory and specifically of Single-Leader-Multi-Follower (SLMF) models. An implementation of the SLMF model is done for freight transport to capture the effect of a carbon tax in the transition to cleaner vehicles. This work highlights the need to use multiple models in order to have a better idea of the interactions and measures to be put in place to support the energy transition. Although the study is carried out for Ecuador, the methodologies are of general applicability

La transition énergétique passera notamment par l’autoconsommation et l’autoproduction. L’utilisation de sources d’origines solaire et/ou éolienne permettront d’atteindre les objectifs bas carbone (atteindre la neutralité carbone à l’horizon 20250). Cette production étant intermittente, il est indispensable de les stocker pour pouvoir les utiliser au moment opportun. Actuellement la technologie dominante est l’accumulation d’énergie dans des batteries au lithium qui sont nuisibles à l’environnement et tributaires de la disponibilité au niveau mondial.De nouvelles batteries innovantes, comme celles au sodium-ion paraissent plus écologiques. Néanmoins, elles présentent l’inconvénient d’une durée de vie plus faible. L’utilisation d’un système de management de batterie (BMS – Battery Management System) l’améliore, les rendant ainsi concurrentielles aux batteries lithium-ion.