Rozprawy doktorskie na temat „Energie d'impact”

Le forage percussif est une technologie qui consiste à appliquer une série d’impacts dynamiques conduisant à la fragmentation de la roche par deux mécanismes principaux : l’écrasement et l’écaillage. Ces mécanismes sont fortement influencés par de nombreux facteurs qui ont fait l’objet d’investigations expérimentales et numériques pendant cette thèse. Un dispositif expérimental a été développé pour réaliser des essais d’impacts dynamiques. Un système de mesure précis a été également mis au point afin d’avoir les résultats des nombreuses séries d’essais qui ont été menées dans le cadre de cette thèse. Quant au volet numérique, un laboratoire virtuel a été construit en se basant sur un modèle rhéologique élasto-viscoplatique validé sur des essais de laboratoire pour décrire le comportement du granite et un mécanisme de contact pour simuler l’interaction insert-roche pendant un impact dynamique. Dans un premier temps, plusieurs études paramétriques ont été réalisées sur un matériau homogène. Dans un deuxième temps, une nouvelle approche de modélisation de l’hétérogénéité a été développée pour décrire la distribution des minéraux dans le granite.Ces études ont fournis des éléments primordiaux pour la compréhension des mécanisme physiques de destruction des roches dures en percussion, pour l’évaluation des effets des principaux paramètres et facteurs de forage et pour l’optimisation de l’outil de forage
Percussive drilling is a technology that consists in applying a series of dynamic impacts leading to the rock fragmentation by two main mechanisms: crushing and chipping. These mechanisms are highly influenced by many factors on which experimental and numerical investigations were carried out in this thesis. An experimental set up was developed to carry out dynamic impact tests. Several series of tests were realized and their results were measured using a precise measurement system which was also developed during the thesis. As for the numerical work, a virtual laboratory was built based on an elasto-viscoplastic constitutive model validated on laboratory tests to describe the granite behavior and a contact mechanism to simulate the insert-rock interaction during a dynamic impact. First, several parametric studies were carried out on a homogeneous material. Secondly, a new heterogeneity modeling approach was developed to describe the distribution of minerals in the granite. These studies have provided essential elements for understanding the physical mechanisms of hard rocks destruction in percussion, for evaluating the effects of the main drilling parameters and factors and for optimizing the drilling tool

Le bois est un matériau cellulaire naturel et excellent absorbeur d’énergie. Employé au sein de structures du type limiteur d’impact, il subit de nombreux phénomènes lors d’un cas de chute. Une large campagne expérimentale est réalisée afin d’analyser les réponses en compression du hêtre et de l’épicéa, en fonction de la direction de sollicitation, de la vitesse de déformation pour la plage [0.001-600] s−1 et de deux types de restrictions latérales qualifiées d’extrêmes. La direction longitudinale se révèle la plus sensible à la vitesse ainsi qu’au type de restrictions latérales et les conséquences sur la capacité d’absorption d’énergie du bois sont alors significatives. Par ailleurs, les protocoles développés ont vocation à être déclinés pour un large panel d’essences aux propriétés mécaniques variées. Un modèle matériau élastoplastique, isotrope transverse et sensible à la vitesse de déformation est élaboré à l’aide des techniques multi-échelles et de la micromécanique. Les propriétés élastiques macroscopiques sont estimées à l’aide du schéma d’homogénéisation de Mori-Tanaka à partir de données issues de la microstructure. Un critère de type Gurson étendu reposant sur l’approche micromécanique de l’endommagement ductile est employé pour retranscrire le comportement non linéaire, la densification et le caractère compressible du bois. Des paramètres de dégradation découplés du critère sont appliqués selon la direction longitudinale. La modélisation proposée repose sur une description simplifiée du bois et les résultats numériques associés illustrent la bonne capacité du modèle à reproduire les différentes réponses observées lors d’un cas de chute
Wood is a natural cellular material, which is widely and advantageously used as shock absorber for the transport of radioactive materials. Accident situations are evaluated based on the 9 m drop test, which allows us to observe the complex crushing behavior of wood. A compressive experimental study is conducted on spruce and beech wood species over a large range of strain rates (from 0.001 to 600 s−1) to investigate the effect of the loading direction and of two extreme lateral confinements. The longitudinal direction is the most sensitive to the effect of strain rate and of lateral confinements which have significant consequences on the energy absorption. Besides, the experimental investigation can be adapted to various wood species with very different mechanical properties. A strain rate dependent elastoplastic model with transversal isotropy is developed using multi-scale and micromechanics techniques. The elastic macroscopic properties of wood are estimated with a Mori-Tanaka scheme and information extracted from the microstructure. The Gurson type criterion based on the micromechanical approach of the ductile damage is used in order to describe the non linear behavior of wood, its densification regime and its compressibility as well. Additionally, uncoupled degradation parameters are applied to reproduce the failure mechanisms involved in the longitudinal response. A simplified description of wood is used within the modeling and the numerical results exhibit the good ability of the model to reproduce the various wood responses during an accident situation

Amongst the available renewable energy sources, offshore wind energy is having a rapid expansion. Renewable energies are viewed as an environmental benign alternative to the energy production based on fossil fuels, but the emerging development of offshore wind energy has also raised public concern over its potential impact on seabird communities. To assess this impact, seabird distribution and abundance maps are usually included in Strategic Environmental Assessments (SEA) and Environmental Impact Assessments (EIA). Nevertheless few studies have attempted to develop analytical methods to assess quantitatively the potential impacts of offshore wind farms on birds based on seabird distribution data. This PhD study aims to contribute to fill in this gap in the methodological approach. The thesis is a compilation of four studies, two published papers, one submitted manuscript and another ready for submission. These studies focus on different analytical approaches that integrate the spatial and temporal dimension of seabird distribution at large scale and regional and local scale. After presenting these integrative tools I provide practical guidelines for practitioners on how to integrate the tools in the design of SEAs and EIAs.
D’entre totes les fonts d’energia renovable disponibles actualment, l’energia eòlica marina està tenint una ràpida expansió. Les energies renovables es veuen com una bona alternativa per reduir el nostre ús dels combustibles fòssils. El desenvolupament de l’energia eòlica marina, però, també planteja incògnites i preocupació respecte els seus possibles efectes sobre les comunitats d’aus marines. Per avaluar aquest impacte, tant els mapes de distribució com els mapes d’abundància de les aus marines es solen incloure en les avaluacions ambientals estratègiques (AAE) i les avaluacions d'impacte ambiental (AIA). No obstant això, pocs estudis han intentat desenvolupar mètodes analítics per quantificar els impactes potencials dels parcs eòlics marins basats en les dades de distribució i abundància de les aus. Aquest treball de doctorat té com a objectiu contribuir a omplir aquest buit que hi ha a nivell metodològic. La tesi és un recull de quatre estudis, dos articles publicats, un manuscrit enviat i un altre llest per enviar. Aquests estudis es centren en diferents mètodes analítics que integren la dimensió espacial i temporal de la distribució d'aus marines a gran escala i a escala regional i local. Després de presentar aquestes eines d'integració en detall, presento una sèrie de recomanacions i directrius pràctiques sobre la manera òptima d'integrar aquestes eines en el disseny d'EAE i EIA, dirigides principalment a tots aquells experts involucrats en el disseny d’Avaluacions ambientals, tant a nivell estratègic com local.
De entre todas las fuentes de energía renovable disponibles actualmente, la energía eólica marina destaca por su rápida expansión. Las energías renovables están muy bien consideradas como alternativa para reducir nuestro uso de combustibles fósiles. Sin embargo, el desarrollo de la energía eólica marina también plantea incógnitas y cierto grado de preocupación respecto a sus posibles efectos sobre las comunidades de aves marinas. Para evaluar este impacto, se suele incluir mapas de distribución y de abundancia de aves en las Evaluaciones Ambientales Estratégicas (EAE) y las Evaluaciones de Impacto Ambiental (EIA) para este tipo de instalaciones. Sin embargo, pocos estudios han intentado desarrollar métodos analíticos para cuantificar los impactos potenciales de los parques eólicos marinos basados en los datos de distribución y abundancia de las aves. Este trabajo de doctorado tiene como objetivo contribuir a llenar este vacío que existe a nivel metodológico. La tesis es una recopilación de cuatro estudios, dos artículos publicados, un manuscrito enviado y otro listo para enviar. Estos estudios se centran en diferentes métodos analíticos que integran la dimensión espacial y temporal de la distribución de aves marinas a gran escala y a escala regional y local. Tras presentar con detalle estas herramientas de integración, presento una serie de recomendaciones y directrices prácticas sobre la manera óptima de integrar estas herramientas en el diseño de los EAE y EIA, dirigidas principalmente a todos aquellos expertos involucrados en el diseño de Evaluaciones ambientales, tanto a nivel estratégico como local.

Malgré l'intérêt suscité, l'exploitation de l'énergie hydrolienne accuse toujours un sérieux retard par rapport à d'autres ressoures renouvelables. Ce développement tardif s'explique d'une part par l'absence d'une méthodologie pertinente de quantification du potentiel hydrocinétique, d'autre part, par le milieu marin, jugé hostile, au sein duquel des phénomènes turbulents,appliquent des contraintes sur la structure des hydroliennes. Offrant une vision précise de l'écoulement et de son hétérogénéité spatiale et temporelle, la courantographie radar, présentée dans la première partie de cette thèse, constitue un outil puissant d'analyse de la dynamique de la marée. Inédite dans le domaine des énergies renouvelables, elle offre une alternative probante à la modélisation numérique, souvent privilégiée bien que générant des résultats contestables compte tenu de sa conceptualisation simpliste des phénomènes réels. L'étude d'impact d'un écoulement turbulent pleinement développé sur la performance énergétique de prototypes d'hydroliennes de type Darrieus constitue la seconde partie de cette thèse. L'analyse spectrale des signaux temporels de vitesse de courant a permis de révéler les propriétés scalaires de l'écoulement. La caractérisation multi-échelle a montré que l'écoulement est animé par un processus dynamique de brisures successives des structures fluides imbriquées de taille allant de l'échelle d'injection à l'échelle de diffusion moléculaire. Enfin, le partitionnement en échelles dynamiques de la turbulence des spectres de vitesse et de puissance générée par l'hydrolienne a mis en évidence une certaine similarité entre la taille des structures tourbillonnaires qui régissent l'écoulement et les dimensions de la turbine
Despite the growing interest , the use of tidal energy still lags far behind other renewable resource. This delayed development can be explained, on the one hand, by the absence of a relevant methodology for quantifying the hydrokinetic potential and, on the other hand, by the hostile marine environment, in which turbulent phenomena apply constraints on the structure of marine current turbines. The use of High Frequency Radar, presented in the first part of this thesis, provides a powerful tool for analyzing tidal dynamics and its spatial and temporal heterogeneity. Never used in the fields of renewable marine energy, it offers a convincing alternative to numerical modeling which is often chosen although generating questionable results because of simplistic conceptualization of real phenomena. The second part of this thesis is the study of the impact of a fully developed turbulent flow on the performance of a Darrieus-type turbine prototypes. The spectral analysis of the current velocity time series revealed the scalar properties of the flow. Multiscale characterization showed that the flow is driven by a dynamic process of successive breaks of fluid structures of size ranging from the injection scale to the molecular diffusion scale. Finally, the dynamical scaling of the turbulence of the velocity and power spectra generated by the marine current turbine has revealed a certain similarity between the size of the eddies structures that govern the flow and the dimensions of the turbine

De par sa multi dimensionnalité, l’accès à l’énergie permet de contribuer grandement à l’atteinte de nombreux Objectifs du Millénaire pour le Développement et notamment l’OMD3 qui vise à promouvoir l’égalité des sexes et l’autonomisation des femmes. Dans les zones rurales, le faible accès à l’énergie contraint les femmes dans leurs activités quotidiennes, et les freine dans leur développement et leur émancipation. Ce constat est à la base de la création du concept des plates-formes multifonctionnelles (PTFM). Une PTFM est un ensemble d’équipements qui fournit des services énergétiques. La configuration de base d’une PTFM comprend un moteur diesel qui entraine un moulin, une décortiqueuse et un alternateur. Ce dernier fournit de l'électricité. Au Burkina Faso, le Programme National Plates-formes Multifonctionnelles pour la Lutte Contre la Pauvreté (PN-PTFM/LCP) a été lancé en 2005. Une enquête ménage à deux passages (2009 et 2011) a été mise au point afin d’analyser l’impact de ce programme sur les conditions de vie des femmes et des enfants, et afin de déterminer si les PTFM sont un bon moyen de contribuer à l’atteinte des OMD au Burkina Faso.Les analyses en variables instrumentales et en double différence menées dans cette thèse montrent que les PTFM permettent de réduire le temps quotidien consacré aux travaux domestiques de certaines femmes. Pour ces femmes, les analyses montrent que ce gain de temps est réinvesti dans la création d’AGR. En revanche, il existe peu d’effets de diffusion bénéfiques sur l’éducation ou la santé des enfants. Ainsi, le programme PTFM au Burkina ne contribue que partiellement à la réalisation des OMD relatifs aux bien être des femmes, en effet les résultats positifs obtenus ne concernent qu’une catégorie de ces dernières. En ce qui concerne les OMD relatifs à la santé ou à l’éducation des enfants, le programme PTFM ne semble pas avoir les effets bénéfiques escomptés. Nous estimons que ces résultats mitigés du programme PTFM au Burkina Faso sont le fruit de problèmes de fonctionnement récurrents des plates-formes, et du faible degré de multifonctionnalité des PTFM
Through its multidimensionality, energy access actively contributes to the achievements of several Millennium Development Goals (MDG) and especially MDG3 which aims at promoting gender equity and women empowerment. Lack of access to energy is a major issue for women in rural areas since it limits their choices in their daily activities and, therefore, undermines their development and their empowerment. This statement is at the core of the creation of the concept of the multifunctional platform (MFP). MFPs are a set of equipment which provides energy services. The basic version of MFPs comprises a diesel engine turning a mill, a husker and an electric alternator which furnishes electricity. In Burkina Faso, the Programme National Plates-formes Multifonctionnelles pour la Lutte Contre la Pauvreté (PN-PTFM/LCP) was launched in 2005. A household survey with two rounds (2009 and 2011) have been implemented in order to analyze the impact of the MFP program on woman and child living conditions, and in order to determine if MFP are a good way to contribute to achieving the MDGs in Burkina Faso. Instrumental variable and double difference analyses lead in this thesis conclude that MFPs enable to reduce the daily time dedicated to domestic tasks for some women. For these women, this time saved is reinvested in creating income generating activities. By contract, little evidence has been found regarding positive externalities on child education and health. Thus, the MFP program only partially contributes to achieving the MDGs related to woman well-being, since the positive effects only concern some women. Concerning the MDGs related to child health and education, the MFP program doesn’t seem to have the expected results. We consider that these mixed results of the MFP program in Burkina Faso are mainly due to repeating technical problems, and to the weak degree of multifunctionality of the MFPs

L'étude porte sur l'impact de vagues sur une paroi rigide en deux dimensions. Les travaux de modélisation numérique ont été réalisés à partir du code JOSEPHINE, utilisant la méthode Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH), développé au sein du laboratoire LOMC. La méthode choisie repose sur une approximation faiblement compressible des équations d'Euler. Dans un premier temps, l'étude d'un cas académique de l'impact d'un jet triangulaire a permis de valider et améliorer le schéma numérique permettant la modélisation d'impacts violents. Les pressions d'impacts ont été étudiées et comparées à d'autres résultats analytiques et numériques. Dans un second temps, l'impact d'une vague solitaire déferlante a été modélisé. Les pressions d'impact ont été déterminées et comparées avec celles issues d'expériences. Après une analyse numérique approfondie des simulations mono-phasiques, un modèle diphasique a été spécifiquement développé pour tenir compte à la fois des phases eau et air. Le modèle SPH diphasique a permis d'améliorer la qualité des résultats, notamment pour le cas « air pocket impact », où une poche d'air est emprisonnée lors de l'impact. Le but final de ce travail est d'étudier la survivabilité des récupérateurs d'énergie marine adossés à des structures côtières lors d'événements météorologiques violents
The present manuscript focuses on the wave impact on a rigid wall in two dimensions. The numerical computations were performed using a Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) software named JOSEPHINE, developed at the LOMC laboratory. The software is based on a weakly-compressible SPH model, where Euler equation of motion is solved. Firstly, an academic test case, the impact of a triangular jet was used to validate and improve the numerical scheme to model violent impacts.The impact pressures were studied and compared to analytical and other numerical results. Secondly, the impact of a breaking solitary wave was modelled.The impact pressures were determined and compared with those obtained in the experiments. After a depth numerical analysis of mono-phase flow computations, a two-phase model was developed specifically to consider both water and air phases. The two-phase SPH model improved the results quality, especially for the case "air pocket impact", where an air pocket is trapped during the impact. The ultimate goal of this work is to study the survivability of coastal structures equipped with a marine energy recovery device during severe weather events

Le travail présenté dans ce mémoire concerne la mesure de la section efficace de production de paires de quarks top dans le canal lepton + jets (électron et muon). Les
données analysées ont été collectées par le détecteur DØ entre 2001 et 2004 à une énergie au
centre de masse de 1.96 TeV auprès du collisionneur proton-antiproton Tevatron situé au
FERMILAB. Elles correspondent à une luminosité intégrée de 160 pb-1 par canal.
Chaque quark top se désintègre en produisant un boson W et un quark beau. La première
partie de ce travail de th èse a été consacrée à l'élaboration d'un algorithme d'identification des
jets de quark s beaux, +-*1. Cet algorithme repose sur l'utilisation du paramètre d'impact des
traces et permet d'assigner à un jet une probabilité de provenir du point d'interaction primaire.
L'efficacité d'identification de cet algorithme est de 45% pour des paires top-antitop pour un bruit de fond rejeté de 99.7%.
La deuxième partie du travail concerne la présélection permettant d'isoler des événements compatibles avec une topologie de type W+jets. Les bruits de fond multijets et W+jets sont évalués dans les données réelles et la simulation. La section efficace de production de paires de quarks top est mesurée à partir des candidats de plus de 3 jets dont l'un, au moins, est
identifié par l'algorith me +-*1. Les sources d'incertitudes systématiques ont été étudiées en
détail. Le résultat a été comparé aux calculs théoriques et aux autres mesures effectuées dans
les expériences DØ et CDF.

Dans ce travail, les potentialités du détecteur ATLAS pour l'identification des jets issus de quark beau sont étudiées. L'étiquetage topologique, basé sur le paramètre d'impact des traces chargées, est utilisé. Une bonne identification de ces jets sera très précieuse au LHC, en particulier durant les premières années de fonctionnement pour mettre en évidence le cas échéant un boson de Higgs d'une masse comprise entre 80 GeV/c2 et 120 GeV/c2. Pour évaluer les performances dans ce domaine, un algorithme de recherche et reconstruction des traces chargées exploitant la simulation détaillée du détecteur interne d'ATLAS a été réalisé. La recherche est initiée dans les détecteurs à pixels. L'efficacité et la qualité de reconstruction assurent une bonne discrimination entre les jets b et les autres jets. Après simulation complète et reconstruction d'événements H->bbbar, H->gg, H->uubar, H->ssbar et H->ccbar (mH = 100 GeV/c2), les réjections moyennes des jets non-b pour une efficacité d'étiqueter les jets b de 50% sont: Rg = 39+-5 Ru = 60+-9 Rs = 38+-5 Rc = 9+-1 Les résultats de l'analyse des données prises lors de tests en faisceau des premiers prototypes de matrices de détecteurs à pixels en technologie résistante aux radiations justifient les potentialités de ce type de détecteur pour la recherche de traces et la mesure précise de leur paramètre d'impact.

Cette thèse de doctorat cherche à mieux comprendre certaines caractéristiques du marché de la performance énergétique des bâtiments dans le secteur résidentiel et à évaluer l'efficacité de trois interventions publiques visant à encourager la rénovation énergétique : Diagnostic de performance énergétique (DPE), crédit d'impôt pour le développement durable (CIDD) et taxation de l'énergie. Le premier chapitre de la thèse passe en revue la littérature sur la certification de la performance énergétique des bâtiments et conclut que les ménages la valorisent lorsqu'ils achètent ou louent un logement. Le deuxième chapitre présente une analyse théorique de l'impact du DPE et démontre que le DPE peut réduire ou augmenter la consommation d'énergie en fonction de l'horizon temporel et de l'hétérogénéité de la demande d'énergie dans la population. Le troisième chapitre développe une simulation basée sur le modèle susmentionné et suggère que le DPE doit être combiné avec d'autres interventions publiques pour être efficace. S'appuyant sur des données de panel françaises, le quatrième chapitre analyse économétriquement l'impact d'une augmentation du CIDD et montre qu’elle stimule significativement les dépenses pour les investissements éligibles. Le dernier chapitre analyse économétriquement comment les prix de l'énergie influent sur les décisions des ménages en rénovation énergétique et ne trouve pas de preuve statistique de l'effet d'une hausse des prix de l’énergie
This PhD dissertation aims at better understanding some features of the market for building energy performance in the residential sector and at evaluating the effectiveness of three policy interventions to encourage energy retrofit: Energy Performance Certificates (EPCs), tax credit for energy retrofit, and energy taxation. The first chapter of the thesis surveys the literature on building energy performance certification: there is strong evidence that households value building energy performance when buying or renting a dwelling. The second chapter provides a theoretical analysis of the impact of EPCs and shows that EPCs can decrease or increase energy consumption depending on the time horizon and the heterogeneity of energy demand in the population. The third chapter develops a simulation based on the aforementioned model and suggests that EPCs need to be supplemented by other policy instruments to reduce energy consumption. Relying on French micro-panel data, the fourth chapter econometrically analyzes the impact of a tax credit rate increase for energy retrofit and finds that it can substantially boost expenditures for investments targeted by the tax credit. The last chapter econometrically analyzes how energy prices affect households’ decisions to invest in building energy performance and does not find any statistical evidence of an effect of an increase in energy fuel price

Les systèmes écologiques sont des systèmes complexes qui ne peuvent pas être d´écrits par un unique modèle mathématique. De nombreux modèles peuvent être construits pour un même système, selon les internets du modélisateur et ses choix dans la construction du modèle. Quel est l’impact de ces choix dans la construction du modèle sur les prédictions de la dynamique des systèmes écologiques et les informations qu’elles fournissent sur la résilience de ces systèmes est la question générale qui guide le travail présente dans cette thèse. Cette thèses focalise sur un choix entre formulations de modèle basées sur des mécanismes biologiques et qui décrivent les données empiriques avec la même efficacité. Ces modèles sont proches l’un de l’autre, donc on s’attendrait `a ce que leurs prédictions soient similaires. Cependant, nous montrons avec un exemple générique de modèle prédateur-proie que des formulations similaires du processus de prédation peuvent prédire des dynamiques qualitativement différentes en terme de: (i) nombre et type d'états stables, et (ii) réponse et résilience du système face à une perturbation extérieure. Ces différences dans les prédictions du modèle sont expliquées par une analyse mathématique détaillée du modèle prédateur-proie. Ensuite, ce modèle est étendu à des réseaux trophiques compos´es de dizaines d’espèces. La complexité de ces réseaux (nombre d'espèces et d’interactions) explique leur persistance, alors que leur dynamique temporelle est fortement affectée par la fonction utilisée pour modéliser la prédation. Des méthodes sont ´également proposées pour quantifier la sensibilités d’un modèle. Finalement, nous montrons que si un minimum de détails biologiques sont pris en compte, des modèles prédateurs-proies sont moins sensibles `a la formulation de la prédation. Ceci nous donne des pistes pour gérer les incertitudes dans la construction d’un modèle, qui sont intrinsèques à la complexité des systèmes naturels
Ecological systems are complex systems which cannot be described by a single mathematical model. Multiple modelsof a same system can be built, depending on modeller’s interests and on its choices during model construction. Howfar these choices in model construction can affect the predicted dynamics of ecological systems and the informationthey provide on their resilience? is the general question that leads the research presented in this thesis. This thesisfocuses on a choice between model formulations that are based on biological mechanisms and describe empiricaldata with the same accuracy. These models are close to each other, so they are expected to predict similar systemdynamics. However, we show through a generic example of predator-prey model that similar formulations of thepredation process can predict qualitatively different system dynamics in term of: (i) number and type of stablestates, and (ii) system response to external disturbance and its potential for recovery. These differences in modelpredictions are explained by a detailed mathematical analysis of the predator-prey model. Next, this model isextended to complex food webs made of tens of species. The complexity of these networks (number of species andinteractions) drives their persistence, whereas their temporal dynamics is strongly affected by the function used tomodel predation. Methods to quantify model sensitivity are also proposed. Finally, we show that if a minimumlevel of biological details is included, predator-prey models are less sensitive to predation formulation. This providea clue to deal with uncertainties in model construction, which are intrinsic to the complexity of natural systems

Ces travaux de thèse portent sur l’évaluation des impacts environnementaux de l’énergie. Le modèle énergétique actuel, qui supporte l’ensemble des activités économiques mondiales, cause d’importants impacts environnementaux en contribuant au changement climatique et à l’épuisement de ressources, mais aussi en dégradant la biodiversité et la santé humaine. Les impacts environnementaux de l’énergie sont évalués, non pas en considérant la seule phase de production d’énergie, mais l’intégralité de leur cycle de vie : de l’extraction des matières premières jusqu’à la fin de vie. La production d’énergie renouvelable étant météo-dépendante, des systèmes de stockage d’énergie peuvent devenir nécessaires pour assurer l’adéquation temporelle entre la production et la consommation lorsque les taux de pénétration d’énergies renouvelables deviennent importants. Dans un premier temps, des modèles paramétrés d’inventaires de cycle de vie ont été développés pour chaque filière de production et de stockage d’énergie. Ils permettent de tenir compte de la variabilité technologique, spatiale et temporelle de la performance environnementale de ces systèmes qui peut être importante. Dans un second temps, une approche reposant sur le développement et le couplage de modèles paramétrés de séries temporelles de production et de consommation a été mise au point. Elle permet d’estimer les besoins de stockage induits par la météo-dépendance de la production mais aussi de la consommation. La méthode globale dynamique et paramétrique d’évaluation d’impacts environnementaux par Analyse de Cycle de Vie (ACV) alors développée a été appliquée à des scénarios d’autoconsommation puis au territoire insulaire de La Réunion. Ces travaux démontrent que, même en tenant compte des besoins de stockage induits par la variabilité de la production, les énergies renouvelables présentent, sur leur cycle de vie, une empreinte environnementale qui reste nettement inférieure aux alternatives fossiles qu’elles cherchent à substituer
This research work deals with the environmental impact assessment of energy. The current energy model, which supports the global economy, leads to major environmental impacts by contributing to climate change and resource depletion,and by degrading biodiversity and human health. The environmental impacts of energy systems are assessed, not only considering the energy generation phase, but the whole life-cycle of energy systems : from raw material extraction to end of life. As renewable energies are weather dependent, storage systems may become required to ensure the temporal balance between the production of energy and consumption when renewable energies reach high penetration rates. As a first step, parameterized life-cycle inventory models have been developed for the main energy technologies to produce orstore energy. Those models enable to account for the technological, spatial and temporal variability that can be important. As a second step, an approach based on times-series to model energy production as well as energy consumption has been developed. It allows assessing the energy storage needs induced by the weather dependency of the production and consumption.The global dynamic and parametric method to assess the life cycle environmental impact here developed has been appliedto self-consumption scenarios and then, to the insular territory of La Réunion. Those applications reveal that, even when accounting for the storage need induced by the weather dependency of the production, renewable energies present an environmental footprint significantly lower than the fossil counterparts they aim to substitute

La transition énergétique ne pourra pas se faire sans une meilleure compréhension des comportements de consommation d’énergie des individus. C’est l’objet de cette thèse.Le premier chapitre décrit les caractéristiques, les enjeux et l’efficacité de politiques de contrôle de la demande d’énergie.Le second chapitre s’intéresse aux incitations financières pour favoriser la réduction de consommation d’énergie. A partir d’expériences en laboratoire, nos résultats montrent que les incitations financières (présentées comme une prime dans cette thèse) servent de points de repères aux sujets dans leur consommation d'énergie. Elles incitent les individus les moins sobres à tendre vers une sobriété énergétique mais au contraire évincent partiellement les motivations intrinsèques des plus sobres.Le dernier chapitre étudie l’impact de la forme des communications. Elle peut soit mettre l’accent sur les externalités négatives soit insister les externalités positives créées par la consommation et inciter à la prévention. Nous étudions l’impact de ce framing, avec une expérience de jeu de bien public linéaire non répété avec décisions simultanées en prenant en compte aussi l’effet du risque sur les décisions. Nos résultats montrent que les participants ont davantage coopéré en univers risqué qu’en univers certain, et encore plus avec le framing qui insiste sur les pertes. L’incertitude modifie de manière favorable les comportements extrêmes, surtout chez les femmes
Understanding energy behaviour is necessary for the success of the energy transition. This is the object of this thesis.The first chapter describes the characteristics, challenges and the effects and effectiveness of different instruments to manage the demand side.The second chapter focuses on financial incentives to encourage the reduction of energy consumption. Based on a laboratory experiment, our results show that financial incentives (presented as a bonus in this thesis) serve as benchmarks to guide energy consumption. They encourage the least sober individuals to tend towards energy sobriety but, on the contrary, they partially crowd out the intrinsic motivations of the most sober.The final chapter investigates how to communicate. Indeed, attention can be drawn to the negative externalities and also to the positive externalities generated by consumption. We study the effect of this framing with a single shot linear public good experiment with simultaneous decisions, with and without risk. The participants cooperate more in a stochastic environment than in a deterministic one, and even more so when the emphasis is on losses.This can be explained by the fact that uncertainty favourably shifts extreme behaviours. Women in particular are the ones for whom the changes in behaviour are most marked

Récemment, la pyro-gazéification de déchets ménagers solides (DMS) a suscité une plus grande attention, en raison de ses bénéfices potentiels en matière d’émissions polluantes et d’efficacité énergique. Afin de développer un système de traitement de ces déchets, durable et intégré, ce manuscrit s’intéresse plus spécifiquement au développement de la technique de pyro-gazéification des DMS, à la fois sur l’aspect technologique (expérimentations) et sur son évaluation globale (modélisation). Pour cette étude, quatre composants principaux représentatifs des DMS (déchet alimentaire, papier, bois et plastique) ont été pyro-gazéifiés dans un lit fluidisé sous atmosphère N2, CO2 ou vapeur d’eau. Les expériences ont été menées avec les composés seuls ou en mélanges afin de comprendre les interactions mises en jeu et leurs impacts sur la qualité du syngas produit. La présence de plastique améliore significativement la quantité et la qualité du syngas (concentration de H2). La qualité du syngas est améliorée plus particulièrement en présence de vapeur d’eau, ou, dans une moindre mesure, en présence de CO2. Les résultats obtenus ont été ensuite intégrés dans un modèle prédictif de pyro-gazéification basé sur un réseau de neurones artificiels (ANN). Ce modèle prédictif s’avère efficace pour prédire les performances de pyro-gazéification des DMS, quelle que soit leur composition (provenance géographique). Pour améliorer la qualité du syngas et abaisser la température du traitement, la gazéification catalytique in-situ, en présence de CaO, a été menée. L’impact du débit de vapeur d’eau, du ratio massique d’oxyde de calcium, ainsi que de la température de réaction a été étudié en regard de la production (quantité et pourcentage molaire dans le gaz) d’hydrogène. La présence de CaO a permis d’abaisser de 100 oC la température de gazéification, à qualité de syngas équivalente. Pour envisager une application industrielle, l’activité du catalyseur a aussi été évaluée du point de vue de sa désactivation et régénération. Ainsi, les températures de carbonatation et de calcination de 650 oC et 800 oC permettent de prévenir la désactivation du catalyseur, tandis que l’hydratation sous vapeur d’eau permet la régénération. Ensuite, une étude a été dédiée à l’évaluation et à l’optimisation de la technologie de pyro-gazéification par la méthode d’analyse de cycle de vie (ACV). Le système de gazéification permet d’améliorer les indicateurs de performances environnementales comparativement à l’incinération conventionnelle. De plus, des systèmes combinant à la fois la transformation des déchets en vecteur énergétique et la mise en œuvre de ce vecteur ont été modélisés. La pyro-gazéification combinée à une turbine à gaz permettrait de maximiser l’efficacité énergétique et de diminuer l’impact environnemental du traitement. Ainsi, les résultats permettent d’optimiser les voies actuelles de valorisation énergétique, et de d’optimiser les techniques de pyro-gazéification
Due to the potential benefits in achieving lower environmental emissions and higher energy efficiency, municipal solid waste (MSW) pyro-gasification has gained increasing attentions in the last years. To develop such an integrated and sustainable MSW treatment system, this dissertation mainly focuses on developing MSW pyro-gasification technique, including both experimental-based technological investigation and assessment modeling. Four of the most typical MSW components (wood, paper, food waste and plastic) are pyro-gasified in a fluidized bed reactor under N2, steam or CO2 atmosphere. Single-component and multi-components mixture have been investigated to characterize interactions regarding the high-quality syngas production. The presence of plastic in MSW positively impacts the volume of gas produced as well as its H2 content. Steam clearly increased the syngas quality rather than the CO2 atmosphere. The data acquired have been further applied to establish an artificial neural network (ANN)-based pyro-gasification prediction model. Although MSW composition varies significantly due to geographic differences, the model is robust enough to predict MSW pyro-gasification performance with different waste sources. To further enhance syngas properties and reduce gasification temperature as optimization of pyro-gasification process, MSW steam catalytic gasification is studied using calcium oxide (CaO) as an in-situ catalyst. The influence of CaO addition, steam flowrate and reaction temperature on H2-rich gas production is also investigated. The catalytic gasification using CaO allows a decrease of more than 100 oC in the reaction operating temperature in order to reach the same syngas properties, as compared with non-catalyst high-temperature gasification. Besides, the catalyst activity (de-activation and re-generation mechanisms) is also evaluated in order to facilitate an industrial application. 650 oC and 800 oC are proven to be the most suitable temperature for carbonation and calcination respectively, while steam hydration is shown to be an effective CaO re-generation method. Afterwards, a systematic and comprehensive life cycle assessment (LCA) study is conducted. Environmental benefits have been achieved by MSW gasification compared with conventional incineration technology. Besides, pyrolysis and gasification processes coupled with various energy utilization cycles are also modeled, with a gasification-gas turbine cycle system exhibits the highest energy conversion efficiency and lowest environmental burden. The results are applied to optimize the current waste-to-energy route, and to develop better pyro-gasification techniques

Les systèmes écologiques sont des systèmes complexes qui ne peuvent pas être d´écrits par un unique modèle mathématique. De nombreux modèles peuvent être construits pour un même système, selon les internets du modélisateur et ses choix dans la construction du modèle. Quel est l’impact de ces choix dans la construction du modèle sur les prédictions de la dynamique des systèmes écologiques et les informations qu’elles fournissent sur la résilience de ces systèmes est la question générale qui guide le travail présente dans cette thèse. Cette thèses focalise sur un choix entre formulations de modèle basées sur des mécanismes biologiques et qui décrivent les données empiriques avec la même efficacité. Ces modèles sont proches l’un de l’autre, donc on s’attendrait `a ce que leurs prédictions soient similaires. Cependant, nous montrons avec un exemple générique de modèle prédateur-proie que des formulations similaires du processus de prédation peuvent prédire des dynamiques qualitativement différentes en terme de: (i) nombre et type d'états stables, et (ii) réponse et résilience du système face à une perturbation extérieure. Ces différences dans les prédictions du modèle sont expliquées par une analyse mathématique détaillée du modèle prédateur-proie. Ensuite, ce modèle est étendu à des réseaux trophiques compos´es de dizaines d’espèces. La complexité de ces réseaux (nombre d'espèces et d’interactions) explique leur persistance, alors que leur dynamique temporelle est fortement affectée par la fonction utilisée pour modéliser la prédation. Des méthodes sont ´également proposées pour quantifier la sensibilités d’un modèle. Finalement, nous montrons que si un minimum de détails biologiques sont pris en compte, des modèles prédateurs-proies sont moins sensibles `a la formulation de la prédation. Ceci nous donne des pistes pour gérer les incertitudes dans la construction d’un modèle, qui sont intrinsèques à la complexité des systèmes naturels
Ecological systems are complex systems which cannot be described by a single mathematical model. Multiple modelsof a same system can be built, depending on modeller’s interests and on its choices during model construction. Howfar these choices in model construction can affect the predicted dynamics of ecological systems and the informationthey provide on their resilience? is the general question that leads the research presented in this thesis. This thesisfocuses on a choice between model formulations that are based on biological mechanisms and describe empiricaldata with the same accuracy. These models are close to each other, so they are expected to predict similar systemdynamics. However, we show through a generic example of predator-prey model that similar formulations of thepredation process can predict qualitatively different system dynamics in term of: (i) number and type of stablestates, and (ii) system response to external disturbance and its potential for recovery. These differences in modelpredictions are explained by a detailed mathematical analysis of the predator-prey model. Next, this model isextended to complex food webs made of tens of species. The complexity of these networks (number of species andinteractions) drives their persistence, whereas their temporal dynamics is strongly affected by the function used tomodel predation. Methods to quantify model sensitivity are also proposed. Finally, we show that if a minimumlevel of biological details is included, predator-prey models are less sensitive to predation formulation. This providea clue to deal with uncertainties in model construction, which are intrinsic to the complexity of natural systems

Ce travail est une contribution à l’évaluation environnementale des projets d’aménagements en phase amont de conception. Il porte plus spécifiquement sur l’intégration des questions de morphologie urbaine à l’analyse de cycle de vie (ACV) appliquée à l’environnement bâti à l’échelle du quartier. La performance énergétique des bâtiments est en partie conditionnée par les choix de conception en termes d’aménagement, et notamment par la forme urbaine (géométrie et types de surfaces) et ses interactions avec le climat. L’objectif de cette thèse est de proposer aux équipes de conception d’opérations d’aménagement un moyen de prendre en compte l’influence de la forme urbaine sur les potentiels énergétiques du quartier avec perspective cycle de vie.Une étude préalable a permis d’expliciter l’influence de la forme urbaine sur les potentiels énergétiques à l’échelle du quartier. Une approche de modélisation de l’énergie grise et de l’empreinte carbone des bâtiments est proposée, sur la base de laquelle une analyse de sensibilité à la forme urbaine et une analyse de contribution sont réalisées. Les résultats démontrent notamment l’influence primordiale de la forme des bâtiments ainsi qu’un lien très fort entre énergie grise et compacité du bâti. Une approche d’évaluation du potentiel de chauffage passif et du potentiel de confort d’été passif à l’échelle du quartier est également développée. Elle repose sur la réduction d’un quartier en quartier équivalent (réseau régulier de bâtiments parallélépipédiques), et sur l’application de métamodèles d’un moteur de simulation thermique. La méthode est testée est discutée sur un corpus de 45 cas d’étude. Ces développements méthodologiques ont vocation à être intégrés dans un outil existant d’ACV à l’échelle du quartier (NEST)
This work is a contribution to the environmental assessment of urban development projects in the upstream design phase. It focuses on integrating urban morphology issues with life cycle analysis (LCA) applied to the built environment at the neighborhood scale. The energy performance of buildings is partly determined by design choices relating to the urban form and its interactions with climate. The objective of this thesis is to provide to the design teams a way to take into account the influence of the urban form on the energy potentials of a neighborhood with a life cycle perspective.A preliminary study was conducted on two neighborhoods to detail the influence of the urban form on their energy potentials. An approach to modeling the embodied energy and embodied carbon of buildings is proposed. A sensitivity analysis and a contribution analysis of this model are performed on two generic building shapes. The results demonstrate the key influence of the shape of the buildings and a very strong link between the embodied energy and the building’s compactness. An approach to assessing the passive heating potential and passive summer comfort potential at the neighborhood scale is also developed. It is based on the transformation of a neighborhood in an equivalent urban form (regular array of block buildings), and on the application of metamodels of a thermal simulation engine. The method is tested and discussed on a corpus of 45 case studies. These methodological developments are intended to be integrated into an existing tool for neighborhood LCA (NEST)

Limiter les émissions de dioxyde de carbone (CO2) est devenu un enjeu d’envergure internationale, notamment pour les industries des secteurs énergétique, chimique et métallurgique. À cette fin, des technologies de captage de CO2 ont été développées durant ces dernières décennies. Dans cette étude, nous nous intéressons à trois types de technologies de captage de CO2 : par absorption chimique à la MEA, par séparation membranaire et par adsorption sur charbon actif. Le CO2 considéré est émis par une centrale à charbon puis directement valorisé au sein d’un procédé de fabrication sur le même site. L’objectif de cette étude est de quantifier les bénéfices environnementaux de l’installation d’une technologie de captage de CO2, en comparaison à la configuration actuelle, sans captage du CO2. Notre approche associe modélisation systémique des procédés et analyse de cycle de vie (ACV). La méthodologie adoptée consiste à modéliser le système complet (la centrale, le procédé de fabrication et les différentes unités de captage) en utilisant un logiciel de diagrammes de flux (Aspen Plus), puis à déterminer les impacts environnementaux par une ACV. Les résultats montrent que le procédé par adsorption chimique à la MEA est fortement pénalisé par l’utilisation du solvant, tant en ce qui concerne la consommation énergétique que les impacts environnementaux. Le procédé membranaire montre des impacts environnementaux importants, malgré une consommation énergétique bien plus faible, en raison de l’utilisation massive de polymères (matériaux membranaires). Enfin, le procédé par adsorption au charbon actif présente des impacts environnementaux moins élevés que les deux autres procédés dans la grande majorité des catégories d’impact
Limiting carbon dioxide (CO2) emissions is a major global issue, particularly for the energy, chemical and metallurgical industries. To this end, CO2 capture technologies have been developed in recent decades. In this study, we focused on three types of CO2 capture technologies: chemical absorption by MEA, membrane separation and activated carbon adsorption. The CO2 considered is emitted by a coal-fired power station and then directly valorized within a manufacturing process on the same site. The objective of this study was to quantify the environmental benefits of installing a CO2 capture technology in comparison to the current configuration, without CO2 capture. Our approach combined process modeling and life cycle assessment. The methodology adopted was to model the complete system (the power plant, the manufacturing process and the various capture units) using a flowsheeting software (Aspen Plus), then to determine the environmental impacts by LCA. The results show that the MEA chemical adsorption process is strongly penalized by the use of the solvent, both regarding the energy consumption and the environmental impacts. The membrane process exhibits significant environmental impacts, despite a much lower energy consumption, due to the massive use of polymers (membrane materials). Finally, the activated carbon adsorption process has lower environmental impacts than the other two processes in the vast majority of impact categories