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    Authors: Gouin, Victor;

    Les réseaux intelligents, ou Smart Grids, résultent de la combinaison des réseaux électriques et des nouvelles technologies de l'information et de la communication. Ils s'accompagnent de changements de paradigmes comme l'insertion importante de production décentralisée et le développement de nouveaux modes de consommation, comme les véhicules électriques et les « consom'acteurs ». Des contraintes apparaissent ainsi sur des réseaux vieillissants et non dimensionnés pour ces nouveaux usages. Cette thèse étudie l'impact des nouveaux paradigmes sur les techniques de planification des réseaux électriques de distribution. Un premier outil utilisant un algorithme de recuit simulé adapté et des méthodes issues de la théorie des graphes a été développé pour dimensionner les réseaux à moindre coût, selon les règles usuelles de planification. Dans un second temps, une méthodologie combinant une approche de type Monte Carlo et la construction de profils annuels de charge a été proposée pour analyser l'impact de la production décentralisée et des véhicules électriques dans un contexte soumis à des incertitudes. La troisième étape du travail a été de mettre en place des fonctions avancées de conduite comme alternative aux solutions de renforcement, très coûteuses. Un regard particulier est porté sur les stratégies d'effacement. Enfin, une nouvelle planification opérationnelle combinant les précédents outils développés a été créée afin d'évoluer vers une planification des réseaux intelligents. The Smart Grids are the combination of electrical networks and new information and communication technologies. They deal with a change of paradigms that are the insertion of distributed generation and the development of new forms of consumption, such as electric vehicles and prosumers. These changes induce many constraints on networks both aging and historically not sized for this context. This thesis studies the impact of these paradigms on the rules for electrical distribution networks planning. A first tool using an adapted simulated annealing algorithm and methods from graph theory was developed to size the networks at low cost, according to the usual rules for planning. Secondly, a methodology combining a Monte Carlo approach and the construction of annual load profiles was proposed to analyze the impact of distributed generation and electric vehicles in an environment subject to uncertainties. The third stage of the work was to implement advanced distribution automations as an alternative to reinforcement, which is very expensive. This part is focused on demand side management. Finally, a new operational planning combining the previous developed tools was created to move towards the planning of the Smart Grids.

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    Doctoral thesis . 2015
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      Hal-Diderot
      Doctoral thesis . 2015
      Data sources: Hal-Diderot
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    Authors: Esnault, Vivien;

    Noindent Clinker is the material obtained by calcination of a mix of clay and limestone, and it is the main component of Portland cement, a crucial ingredient for the majority of concrete used around the world. This clinker must be finely ground to have a sufficient reactivity. Mastering the grinding process is a key issue in the cement industry: it is the first source of expense in terms of electric consumption in a factory, partially because of the overall inefficiency of the process. Compressive grinding techniques, first appeared during the 80's, allow major improvements in terms of energy efficiency, but the general implementation is yet to come, hindered by process control issues, especially for high fineness. The goal of this study is a better understanding of phenomenons occurring during compressive grinding of clinker, in order to provide better process control for industrial installations when dealing with fine products. We particularly choose to study the behaviour, on a fundamental point of view, of a granular material subjected to grain fragmentation, using the numerical simulation of an Elementary Representative Volume of material through Discrete Element Method (DEM). We also looked for a behaviour law able to provide a link between stress, strain, and grain size evolution for the ground material, using at the same time micromechanics and homogenization technique, and a semi-empirical mass balance model. Finally, we made first efforts in the direction of modelling the whole process through numerical simulation by Finite Element Method (FEM), in order to tackle the issue met by the industrials in operations; On appelle clinker le matériau obtenu par cuisson de calcaire et d'argile et qui constitue le principal ingrédient du ciment Portland, composant essentiel de la majorité des bétons produits dans le monde. Ce clinker doit être finement broyé avant de pouvoir présenter une réactivité suffisante. La maîtrise des procédés de broyage représente un enjeu considérable pour l'industrie cimentière : il s'agit du premier poste en termes de consommation électrique d'une usine, en partie du fait de l'inefficacité des procédés employés. Les techniques de broyage par compression, apparues au cours des années 80, ont constitué un progrès majeur du point de vue de l'efficacité énergétique, mais la généralisation de leur utilisation a été freinée par des problèmes de maîtrise du procédé, en particulier pour des finesses importantes. L'enjeu de cette thèse est une meilleure compréhension des phénomènes en jeu lors du broyage par compression du clinker, en vue d'un meilleur contrôle des installations industrielles lors de la fabrication de produits fins. Nous nous sommes intéressés en particulier au comportement, du point de vue fondamental, d'un matériau granulaire subissant une fragmentation de ses grains, en nous appuyant sur la simulation numérique d'un Volume Elémentaire Représentatif de matière par les éléments discrets (DEM). Nous avons aussi recherché une loi de comportement permettant de relier contraintes, déformation, et évolution de la taille des particules pour le matériau broyé, en nous appuyant à la fois sur la micromécanique et les techniques d'homogénéisation, et un modèle semi-empirique de bilans de masses. Enfin, un premier pas vers la modélisation du procédé industriel et notamment sa simulation par éléments finis a été esquissé, afin de résorber les difficultés rencontrées en pratique par les industriels

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    Hal-Diderot
    Doctoral thesis . 2013
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      Hal-Diderot
      Doctoral thesis . 2013
      Data sources: Hal-Diderot
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    Authors: Beaude, Olivier;

    Cette thèse étudie l'interaction technico-économique entre véhicules électriques et réseaux d'électricité. Le développement récent de la mobilité électrique invite en effet à analyser les impacts potentiels de la recharge de ces véhicules sur les réseaux électriques, mais aussi le soutien que ceux-ci pourraient apporter dans les réseaux du futur. Ce travail s'inscrit résolument dans le cadre des réseaux d'électricité intelligents ; la plupart des résultats de cette thèse s'appliquent tout aussi bien à un lave-linge, un chauffe-eau, une télévision tant que l'on leur prête la capacité d'intelligence ! Dès lors que les décisions des consommateurs électriques flexibles interagissent, ce cadre d'étude offre un terrain de jeu propice aux outils de théorie des jeux. Ceux-ci ont un apport direct lorsque le problème considéré a un fondement stratégique, mais leur application permet aussi de proposer des solutions sur des aspects où la théorie des jeux n'est pas forcément attendue : algorithmique, dans l'échange d'information entre acteurs, etc. La description de cet apport est l'objet principal de ce travail de thèse et se décompose en trois parties. En fil rouge, le cas des profils de charge rectangulaires – soutenus par de nombreux arguments pratiques mais souvent délaissés par les chercheurs – est analysé. En premier lieu, des questions algorithmiques se posent pour coordonner la charge de véhicules électriques dans un même périmètre du système électrique. Proposant et étudiant un algorithme de coordination, il est montré comment les propriétés fondamentales de celui-ci - sa convergence, l'efficacité de ses points de convergence – peuvent être déduite d'un jeu auxiliaire sous-jacent. L'analyse de ce jeu est faite en montrant qu'il appartient à la classe des jeux de potentiel, sous des hypothèses physiques et économiques très générales. Sur le plan de l'échange d'information, un modèle est proposé pour réfléchir à la bonne communication entre un opérateur du réseau et un véhicule. Ces deux agents ont intérêt à communiquer pour planifier la charge intelligente du véhicule électrique, mais ont des objectifs distincts. Ce cadre est très proche du Cheap-talk en théorie des jeux, mais aussi de la problématique de la quantification en traitement du signal. Ce travail tisse au passage des liens entre ces sujets. Il propose aussi une méthode pour que l'agent du réseau et le véhicule s'accordent hors-ligne sur un bon mécanisme d'échange d'information. Enfin, la théorie des jeux est appliquée dans un cadre plus habituel, pour analyser le jeu des acteurs. Ceci est fait quand des ensembles de véhicules de taille importante, vus comme des flottes, cohabitent avec des véhicules individuels. Ceci offre un terrain de jeu applicatif aux outils très récents des jeux composites. Dans ces trois directions de recherche, des simulations sont effectuées dans le cadre d'un réseau de distribution d'électricité, maille du système électrique qui pourrait vivre des impacts significatifs si la charge est non-coordonnée. En particulier, elles montrent la robustesse des méthodes proposées face aux incertitudes sur les données lorsque des profils de charge rectangulaires sont considérés. This thesis studies the technical and economical interaction between electric vehicles and electrical networks. The recent development of electric mobility leads to the analysis of potential impacts of electric vehicle charging on the electrical networks, but also to the possible support that these particular electric consumers could provide in the future smart grids. In this direction, most of the results given in this thesis also apply to a washing machine, a water-heater, a TV, as soon as these equipments are capable of being smart! When the decisions of flexible electric consumers interact, the considered framework naturally offers a unique exercise area for the tools of game-theory. The interpretation is straightforward when the considered problem is strategic by definition, but these tools allow also shedding light on other aspects: algorithmic coordination, information exchange, etc. The description of the benefits of using game-theory in this context is the aim of this work. This is done according to three aspects. In these three directions, a particular attention is drawn to the case of rectangular charging profiles, which are very practical, but often ignored by the literature. First, algorithmic issues arise when coordinating the charging of electric vehicles in a same area of the electrical network. A charging algorithm is proposed and analyzed. This is done by studying an underlying auxiliary game. This game is proved to belong to the class of potential games under very general physical and economic assumptions. In turn, it inherits from the strong properties of this class of games, namely convergence and an efficiency result in the case of a large number of electric vehicles. Considering information exchange, a model is proposed to design a good communication scheme between an operator of the electrical system and an electric vehicle. Both agents have an interest in exchanging information to schedule optimally the charging profile of the electric vehicle but they do not share the same objective. This framework is closely related to Cheap-talk in game theory and to quantization in signal processing. Amongst others, this work explains interesting connections between both topics. Furthermore, a method, which is used offline, is given to obtain a good communication mechanism between both agents. Finally, game theory is used in its traditional form, studying the strategic interaction when groups of a large number of electric vehicles – seen as fleets – coexist with individual vehicles. This allows the application of the very recent concept of composite games. In the three parts of the work, simulations are conducted in a French realistic distribution network, which could be the first part of the electrical system severely impacted by a non-coordinated charging. This highlights the robustness of rectangular charging profiles against forecasting errors on the parameters of the models.

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    Authors: Symonides, Janusz; Symonides, Michal;

    Le réchauffement climatique qui touche la région arctique de manière plus importante que le reste du monde modifie de manière sensible les opportunités données par la route maritime du Nord. Si cette dernière a fait l’objet de nombreuses recherches et expéditions depuis le XVIe siècle et a largement servi comme route maritime nationale à l’Union soviétique, ce n’est qu’aujourd’hui que son utilisation pour la navigation internationale devient réelle. Son développement peut servir d’alternative majeure aux voies traditionnelles de transport maritime à travers le Canal de Suez et celui de Panama profitant entre autres de la fonte des glaces, de l’exploitation grandissante des ressources énergétiques arctiques ainsi que du besoin énergétique des pays asiatiques avec la Chine au premier plan Climate change that is affecting the Arctic more significantly than the rest of the world brings new important opportunities for the Northern Sea Route. If the latter has been the subject of extensive research and expeditions since the 16th century and largely served as national route for the Soviet Union, its usage for international navigation becomes real nowadays. Its development can serve as a major alternative to the traditional channels of shipping through the Suez Canal and the Panama one thanks to the modern evolutions such as the melting ice, the growing exploitation of Arctic energy resources as well as the energy needs of Asian countries with China at the forefront

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    Authors: Doudnikoff, Marjorie;

    Longtemps ignorée, la pollution atmosphérique générée par l'activité de transport maritime fait l'objet depuis quelques années d'une attention accrue. Des politiques de réduction sont élaborées à différents niveaux pour réduire les polluants de l'air (oxyde de soufre, oxyde d'azote, particules) et les gaz à effet de serre (dioxyde de carbone). Règlementée par le droit international en référence à l'Annexe VI de la Convention MARPOL adoptée par les membres de l'Organisation Maritime Internationale, la pollution atmosphérique du transport maritime fait aussi l'objet de mesures spécifiques de la part de l'Union européenne. Notre travail vise à répondre à la problématique suivante : les politiques de réduction des émissions de gaz à effet de serre et de polluants de l'air des navires sont-elles de nature à modifier l'offre des services maritimes de lignes régulières ?Nous montrons en quoi les émissions de gaz à effet de serre et de polluants de l'air des navires constituent un « objet » de politique publique complexe et original, et comment l'action publique s'en saisit par une analyse des processus politiques qui ont façonné l'élaboration des différentes politiques. Nous démontrons alors que le format particulier des instruments de politique publique (régionalisation des règles, choix des moyens laissés aux compagnies pour atteindre les objectifs fixés, etc.), l'articulation des différentes politiques entre elles et leur évolution dans le temps rendent la prise en compte de ces politiques par les compagnies maritimes véritablement stratégique, au sens où elle dépasse la simple application des prescriptions traditionnelles normatives en matière de sécurité et d'environnement. Nous mettons ensuite en évidence les choix stratégiques possibles des armateurs, combinant des aspects techniques et organisationnels, et les conséquences de ces choix sur l'offre de services maritimes de lignes régulières, au travers de deux études de cas : la première portant sur le transport roulier transmanche et la seconde sur le transport conteneurisé international entre l'Europe et l'Asie. Nous soulignons ainsi les effets différenciés des politiques de réduction des émissions selon les marchés du cabotage et du long cours, mais aussi leurs points communs en matière d'évolution de l'offre de transport maritime. Il apparaît que les politiques de réduction des émissions du transport maritime favorisent certains changements de l'offre en conjonction avec d'autres facteurs plus qu'elles ne les amorcent réellement Atmospheric emissions from shipping was for a long time ignored, but have begun to attract an increasing amount of interest in recent years, with policies elaborated at different levels to reduce air pollutants (sulfur oxides, nitrogen oxides, particulate matters) and greenhouse gases (carbon dioxide). Regulated by international law in reference to Annex VI of MARPOL Convention adopted by member states of the International Maritime Organisation (IMO), emissions from shipping are also subject to specific measures by the European Union. This thesis aims to answer the following question: can policies to reduce emissions of greenhouse gases and air pollutants from ships alter the supply of maritime liner services? We show how emissions of greenhouse gases and air pollutants from ships are a complex and unique public policy issue and analyse the policy-making processes that have shaped the development of the various policies. We demonstrate that the specific format of public policy instruments (regionalisation of rules, set objectives with choice of means left to companies, etc.), as well as the articulation of the various policies and their development over time make the consideration of these policies by shipowners truly strategic, in the sense that it goes beyond the traditional compliance with prescriptive security and environmental norms. We then highlight, through two case studies, the possible strategic choices faced by shipowners, both technical and organisational in nature, as well as the consequences of these choices on the supply of maritime liner services: the first case study looks at roro transport in the English Channel while the second examines international container shipping between Europe and Asia. We highlight not only the differing effects of emission reduction policies on short sea shipping and deep-sea shipping markets, but also what they have in common with respect to changes in shipping services. It appears that emission reduction policies favour certain changes in supply in conjunction with other factors but that they do not necessarily trigger such changes

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    Authors: BROUNS, Jordan;

    Le secteur du bâtiment représente aujourd'hui près de 45% de la facture énergétique nationale, et le parc des bâtiments existants se renouvelle lentement. L'audit énergétique est un outil d'aide à la décision permettant d'améliorer la performance des bâtiments en proposant des scénarios de rénovation adaptés. Cependant, les méthodes d'audit actuelles ne parviennent pas à saisir réellement les propriétés thermiques des bâtiments et les propositions de rénovation peuvent être inadaptées. Nous proposons une méthode innovante d'audit énergétique des bâtiments qui permet de réduire fortement les incertitudes sur les paramètres et la réponse thermique du modèle. Elle diffère des méthodes classiques par son protocole opératoire et ses outils de résolution numérique. En plus du recueil des scénarios d'usage, des caractéristiques thermiques des systèmes et du bâti, et des conditions climatiques, elle exploite l'information contenue dans la mesure de l'état thermique, composé des températures des pièces et des températures de surfaces de certaines parois et des émetteurs. Ces données alimentent un problème inverse d'identification de paramètres. L'utilisation d'un modèle aux EDP nous donne accès aux outils du contrôle optimal, et notamment à la méthode de l'état adjoint. Avec ce formalisme, le problème inverse se réécrit comme un problème d'optimisation non linéaire de calibration du modèle thermique. Les paramètres inconnus sont constitués des paramètres les plus influents : la capacité et la conductivité thermiques des parois, les caractéristiques des émetteurs, la transmittance des fenêtres et le débit de renouvellement d'air moyen. Nous proposons deux variantes de la méthode, que nous appliquons sur un cas d'étude numérique. La première nécessite les données de chaque puissance individuelle fournie aux émetteurs, et la seconde utilise une mesure globale de production de chaleur. L'approche est étudiée numériquement : le modèle thermique sert à la fois pour la génération des mesures et pour l'identification. Une fois les mesures de l'état thermique synthétisées, les paramètres retenus sont perturbés suivant les incertitudes classiques du bâtiment. Nous éprouvons la méthode sur un échantillon de tirages aléatoires, engendrant autant d'initialisations pour l'algorithme, afin de calculer l'incertitude de la méthode. L'allègement du protocole opératoire pour la seconde variante se traduit toutefois par une baisse de la précision de l'identification. Nous analysons la robustesse de la méthode lorsque les conditions climatiques de l'audit changent, que le bruit des capteurs de l'état thermique augmente, et pour de fortes incertitudes initiales des paramètres. Nous montrons que la méthode est stable par rapport au bruit des capteurs et que l'incertitude sur l'état thermique du bâtiment est globalement réduite. Afin d'améliorer la prise en compte de l'aéraulique, nous proposons une technique permettant de discriminer deux sources ayant des dynamiques différentes : l'une constante par morceaux, l'autre régulière dans le temps. La méthode résout un problème inverse prenant en compte la régularité des fonctions par projection. Cet outil est validé sur une étude expérimentale, dont les résultats démontrent la robustesse au bruit de mesure. Ce résultat constitue un jalon dans la volonté de s'affranchir de la contrainte de maîtrise de scénarios d'usage de la méthode d'audit. Enfin, nous proposons un formalisme inverse pour caractériser les propriétés thermiques d'une structure 3D à partir de mesures de température sur une partie de sa frontière. L'outil permet de reconstruire différentes formes et natures de défauts. Il pourrait trouver des débouchés dans la caractérisation de défauts d'isolation ou de ponts thermiques The building sector currently accounts for nearly 45% of the national energy bill, and the existing buildings are slowly renewed. Energy audit is a tool for decision support to improve building performance by providing suitable renovation strategies. However, actual energy audit methods fail to completely determine the building thermal properties, and the proposed retrofit strategies may be inappropriate. We propose an innovative energy audit method which significantly reduces the uncertainties on the building thermal parameters and the thermal state. It differs from conventional methods by its operating protocol and its numerical resolution. In addition to the collection of use scenarios, thermal characteristics of built and systems, and weather conditions, it exploits the information embedded in the measurement of the thermal state, composed of the temperatures of the rooms, and the surface temperature of walls and heating devices. This data feed an inverse problem of parameters identification. Using a model for EDP gives us a direct access to the tools of the optimal control theory, including the adjoint state method. With this formalism, the inverse problem can be rewritten as a nonlinear optimization problem of the calibration of the thermal model. The unknown parameters consist of the most influential parameters of the building thermal model: the heat capacity and the thermal conductivity of the walls, the heaters characteristics, the windows transmittance and the mean rate of air renewal. We propose two alternatives to the method. The first requires the data of each individual power provided to heating device, and the second uses a global measure of the heat production. We apply them on a numerical case study: the thermal model is used for both the measures generation and the parameters identification. Once the thermal state measurements are synthesized, the selected parameters are disturbed by conventional uncertainties of the building. We investigate the method on a randomly generated sample, which gives us as many starting values for the algorithm. This allows to compute the uncertainty of the method. Reducing the operating protocol for the second alternative results in a decrease of the identification accuracy. We analyze the robustness of the method when the weather conditions of the audit change, when the sensor noise of the thermal state increases, and when we deal with strong initial parameter uncertainties. We show that the method is stable compared to the sensor noise and the thermal response of the rooms is generally well reconstructed. In order to improve the ventilation consideration, we then propose a technique to distinguish two thermal sources whose dynamics differ: one piecewise constant, and one smooth in time. The method is to solve an inverse problem, taking into account the temporal regularity of functions by a projection step. This tool has been validated on an experimental study, and the results demonstrate robustness to measurement noise. This result is a milestone in the will to overcome the constraint of precisely describing to use scenarios in the audit methodology. Finally, we propose an inverse formalism to characterize the thermal properties of a 3D structure from temperature measurements on a part of its boundary. The tool allows the reconstruction of various types and forms of internal defects. He could find opportunities in the thermal building diagnostics for characterizing insulation defects or thermal bridges

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    Hal-Diderot
    Doctoral thesis . 2014
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      Hal-Diderot
      Doctoral thesis . 2014
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    Authors: Codani, Paul;

    Les ventes de Véhicules Électriques (VE) ont fortement augmenté ces dernières années. Si les processus de charge de ces VE ne sont pas gérés de manière intelligente, ils risquent de surcharger les réseaux électriques. Inversement, les VE pourraient représenter une opportunité pour ces réseaux en tant qu'unités de stockage distribuées.Cette thèse se propose d’étudier l’intégration intelligente des véhicules rechargeables dans les réseaux électriques d’un point de vue technique, réglementaire et économique. Dans un premier temps, le cadre général nécessaire au développement de ces solutions est passé en revue : les domaines d’application et scenarios de référence sont décrits, les acteurs principaux listés, et les défis principaux analysés.Ensuite, l’accent est mis sur les services système, et plus particulièrement sur le réglage de fréquence. Les conditions règlementaires permettant la participation d’une flotte de véhicules électriques à ce service sont étudiées à partir d’une revue des règles de gestionnaires de réseau de transport existants. De nombreuses simulations techniques et économiques sont réalisées, pour différentes règles de marché.Les services réseau locaux sont ensuite considères. Un éco-quartier est modélisé : il comprend différentes unités de consommation et des sources de production distribuées. Un gestionnaire énergétique local est proposé : son rôle est de contrôler les taux de charge / décharge des véhicules électriques de l’éco-quartier dans l’objectif de limiter les surcharges subies par le transformateur électrique de l’éco-quartier. Des conséquences économiques sont tirées des résultats techniques.Enfin, des résultats expérimentaux sont présentés. Le comportement de deux VE est analysé, dont un dispose de capacités bidirectionnelles. Les preuves de concept expérimentales confirment les capacités théoriques des véhicules électriques : il s’agit d’unités à temps de réponse très court (même en considérant l’architecture TIC complète) et ils sont capables de réagir à des signaux réseau très précisément. Electric vehicles (EVs) penetration has been rapidly increasing during the last few years. If not managed properly, the charging process of EVs could jeopardize electric grid operations. On the other hand, Grid Integrated Vehicles (GIVs), i.e. vehicles whose charging and discharging patterns are smartly controlled, could turn into valuable assets for the electrical grids as distributed storage units.In this thesis, GIVs are studied from a technical, regulatory, and economics perspectives. First, the general framework for a smart grid integration of EVs is reviewed: application areas and benchmark scenarios are described, the main actors are listed, and the most important challenges are analyzed.Then, the emphasis is put on system wide services, and more particularly on frequency control mechanisms. The regulatory conditions enabling the participation of GIV fleets to this service are studied based on an intensive survey of existing transmission system operator rules. Several economics and technical simulations are performed for various market designs.Then, local grid services are investigated. A representative eco-district is modeled, considering various consumption units and distributed generation. A local energy management system is proposed; it is responsible for controlling the charging / discharging patterns of the GIVs which are located in the district in order to mitigate the overloading conditions of the eco-district transformer. Economic consequences are derived from this technical analysis.At last, some experimental results are presented. They show the behavior of two GIVs, including one with bidirectional capabilities. The experimental proof of concepts confirm the theoretical abilities of GIVs: they are very fast responding units (even considering the complete required IT architecture) and are able to follow grid signals very accurately.

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    Hal-Diderot
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      Hal-Diderot
      Doctoral thesis . 2016
      Data sources: Hal-Diderot
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    Authors: Gouin, Victor;

    Les réseaux intelligents, ou Smart Grids, résultent de la combinaison des réseaux électriques et des nouvelles technologies de l'information et de la communication. Ils s'accompagnent de changements de paradigmes comme l'insertion importante de production décentralisée et le développement de nouveaux modes de consommation, comme les véhicules électriques et les « consom'acteurs ». Des contraintes apparaissent ainsi sur des réseaux vieillissants et non dimensionnés pour ces nouveaux usages. Cette thèse étudie l'impact des nouveaux paradigmes sur les techniques de planification des réseaux électriques de distribution. Un premier outil utilisant un algorithme de recuit simulé adapté et des méthodes issues de la théorie des graphes a été développé pour dimensionner les réseaux à moindre coût, selon les règles usuelles de planification. Dans un second temps, une méthodologie combinant une approche de type Monte Carlo et la construction de profils annuels de charge a été proposée pour analyser l'impact de la production décentralisée et des véhicules électriques dans un contexte soumis à des incertitudes. La troisième étape du travail a été de mettre en place des fonctions avancées de conduite comme alternative aux solutions de renforcement, très coûteuses. Un regard particulier est porté sur les stratégies d'effacement. Enfin, une nouvelle planification opérationnelle combinant les précédents outils développés a été créée afin d'évoluer vers une planification des réseaux intelligents. The Smart Grids are the combination of electrical networks and new information and communication technologies. They deal with a change of paradigms that are the insertion of distributed generation and the development of new forms of consumption, such as electric vehicles and prosumers. These changes induce many constraints on networks both aging and historically not sized for this context. This thesis studies the impact of these paradigms on the rules for electrical distribution networks planning. A first tool using an adapted simulated annealing algorithm and methods from graph theory was developed to size the networks at low cost, according to the usual rules for planning. Secondly, a methodology combining a Monte Carlo approach and the construction of annual load profiles was proposed to analyze the impact of distributed generation and electric vehicles in an environment subject to uncertainties. The third stage of the work was to implement advanced distribution automations as an alternative to reinforcement, which is very expensive. This part is focused on demand side management. Finally, a new operational planning combining the previous developed tools was created to move towards the planning of the Smart Grids.

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      Doctoral thesis . 2015
      Data sources: Hal-Diderot
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    Authors: Esnault, Vivien;

    Noindent Clinker is the material obtained by calcination of a mix of clay and limestone, and it is the main component of Portland cement, a crucial ingredient for the majority of concrete used around the world. This clinker must be finely ground to have a sufficient reactivity. Mastering the grinding process is a key issue in the cement industry: it is the first source of expense in terms of electric consumption in a factory, partially because of the overall inefficiency of the process. Compressive grinding techniques, first appeared during the 80's, allow major improvements in terms of energy efficiency, but the general implementation is yet to come, hindered by process control issues, especially for high fineness. The goal of this study is a better understanding of phenomenons occurring during compressive grinding of clinker, in order to provide better process control for industrial installations when dealing with fine products. We particularly choose to study the behaviour, on a fundamental point of view, of a granular material subjected to grain fragmentation, using the numerical simulation of an Elementary Representative Volume of material through Discrete Element Method (DEM). We also looked for a behaviour law able to provide a link between stress, strain, and grain size evolution for the ground material, using at the same time micromechanics and homogenization technique, and a semi-empirical mass balance model. Finally, we made first efforts in the direction of modelling the whole process through numerical simulation by Finite Element Method (FEM), in order to tackle the issue met by the industrials in operations; On appelle clinker le matériau obtenu par cuisson de calcaire et d'argile et qui constitue le principal ingrédient du ciment Portland, composant essentiel de la majorité des bétons produits dans le monde. Ce clinker doit être finement broyé avant de pouvoir présenter une réactivité suffisante. La maîtrise des procédés de broyage représente un enjeu considérable pour l'industrie cimentière : il s'agit du premier poste en termes de consommation électrique d'une usine, en partie du fait de l'inefficacité des procédés employés. Les techniques de broyage par compression, apparues au cours des années 80, ont constitué un progrès majeur du point de vue de l'efficacité énergétique, mais la généralisation de leur utilisation a été freinée par des problèmes de maîtrise du procédé, en particulier pour des finesses importantes. L'enjeu de cette thèse est une meilleure compréhension des phénomènes en jeu lors du broyage par compression du clinker, en vue d'un meilleur contrôle des installations industrielles lors de la fabrication de produits fins. Nous nous sommes intéressés en particulier au comportement, du point de vue fondamental, d'un matériau granulaire subissant une fragmentation de ses grains, en nous appuyant sur la simulation numérique d'un Volume Elémentaire Représentatif de matière par les éléments discrets (DEM). Nous avons aussi recherché une loi de comportement permettant de relier contraintes, déformation, et évolution de la taille des particules pour le matériau broyé, en nous appuyant à la fois sur la micromécanique et les techniques d'homogénéisation, et un modèle semi-empirique de bilans de masses. Enfin, un premier pas vers la modélisation du procédé industriel et notamment sa simulation par éléments finis a été esquissé, afin de résorber les difficultés rencontrées en pratique par les industriels

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    Doctoral thesis . 2013
    Data sources: Hal-Diderot
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      Hal-Diderot
      Doctoral thesis . 2013
      Data sources: Hal-Diderot
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    Authors: Beaude, Olivier;

    Cette thèse étudie l'interaction technico-économique entre véhicules électriques et réseaux d'électricité. Le développement récent de la mobilité électrique invite en effet à analyser les impacts potentiels de la recharge de ces véhicules sur les réseaux électriques, mais aussi le soutien que ceux-ci pourraient apporter dans les réseaux du futur. Ce travail s'inscrit résolument dans le cadre des réseaux d'électricité intelligents ; la plupart des résultats de cette thèse s'appliquent tout aussi bien à un lave-linge, un chauffe-eau, une télévision tant que l'on leur prête la capacité d'intelligence ! Dès lors que les décisions des consommateurs électriques flexibles interagissent, ce cadre d'étude offre un terrain de jeu propice aux outils de théorie des jeux. Ceux-ci ont un apport direct lorsque le problème considéré a un fondement stratégique, mais leur application permet aussi de proposer des solutions sur des aspects où la théorie des jeux n'est pas forcément attendue : algorithmique, dans l'échange d'information entre acteurs, etc. La description de cet apport est l'objet principal de ce travail de thèse et se décompose en trois parties. En fil rouge, le cas des profils de charge rectangulaires – soutenus par de nombreux arguments pratiques mais souvent délaissés par les chercheurs – est analysé. En premier lieu, des questions algorithmiques se posent pour coordonner la charge de véhicules électriques dans un même périmètre du système électrique. Proposant et étudiant un algorithme de coordination, il est montré comment les propriétés fondamentales de celui-ci - sa convergence, l'efficacité de ses points de convergence – peuvent être déduite d'un jeu auxiliaire sous-jacent. L'analyse de ce jeu est faite en montrant qu'il appartient à la classe des jeux de potentiel, sous des hypothèses physiques et économiques très générales. Sur le plan de l'échange d'information, un modèle est proposé pour réfléchir à la bonne communication entre un opérateur du réseau et un véhicule. Ces deux agents ont intérêt à communiquer pour planifier la charge intelligente du véhicule électrique, mais ont des objectifs distincts. Ce cadre est très proche du Cheap-talk en théorie des jeux, mais aussi de la problématique de la quantification en traitement du signal. Ce travail tisse au passage des liens entre ces sujets. Il propose aussi une méthode pour que l'agent du réseau et le véhicule s'accordent hors-ligne sur un bon mécanisme d'échange d'information. Enfin, la théorie des jeux est appliquée dans un cadre plus habituel, pour analyser le jeu des acteurs. Ceci est fait quand des ensembles de véhicules de taille importante, vus comme des flottes, cohabitent avec des véhicules individuels. Ceci offre un terrain de jeu applicatif aux outils très récents des jeux composites. Dans ces trois directions de recherche, des simulations sont effectuées dans le cadre d'un réseau de distribution d'électricité, maille du système électrique qui pourrait vivre des impacts significatifs si la charge est non-coordonnée. En particulier, elles montrent la robustesse des méthodes proposées face aux incertitudes sur les données lorsque des profils de charge rectangulaires sont considérés. This thesis studies the technical and economical interaction between electric vehicles and electrical networks. The recent development of electric mobility leads to the analysis of potential impacts of electric vehicle charging on the electrical networks, but also to the possible support that these particular electric consumers could provide in the future smart grids. In this direction, most of the results given in this thesis also apply to a washing machine, a water-heater, a TV, as soon as these equipments are capable of being smart! When the decisions of flexible electric consumers interact, the considered framework naturally offers a unique exercise area for the tools of game-theory. The interpretation is straightforward when the considered problem is strategic by definition, but these tools allow also shedding light on other aspects: algorithmic coordination, information exchange, etc. The description of the benefits of using game-theory in this context is the aim of this work. This is done according to three aspects. In these three directions, a particular attention is drawn to the case of rectangular charging profiles, which are very practical, but often ignored by the literature. First, algorithmic issues arise when coordinating the charging of electric vehicles in a same area of the electrical network. A charging algorithm is proposed and analyzed. This is done by studying an underlying auxiliary game. This game is proved to belong to the class of potential games under very general physical and economic assumptions. In turn, it inherits from the strong properties of this class of games, namely convergence and an efficiency result in the case of a large number of electric vehicles. Considering information exchange, a model is proposed to design a good communication scheme between an operator of the electrical system and an electric vehicle. Both agents have an interest in exchanging information to schedule optimally the charging profile of the electric vehicle but they do not share the same objective. This framework is closely related to Cheap-talk in game theory and to quantization in signal processing. Amongst others, this work explains interesting connections between both topics. Furthermore, a method, which is used offline, is given to obtain a good communication mechanism between both agents. Finally, game theory is used in its traditional form, studying the strategic interaction when groups of a large number of electric vehicles – seen as fleets – coexist with individual vehicles. This allows the application of the very recent concept of composite games. In the three parts of the work, simulations are conducted in a French realistic distribution network, which could be the first part of the electrical system severely impacted by a non-coordinated charging. This highlights the robustness of rectangular charging profiles against forecasting errors on the parameters of the models.

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    Hal-Diderot
    Doctoral thesis . 2015
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    Authors: Symonides, Janusz; Symonides, Michal;

    Le réchauffement climatique qui touche la région arctique de manière plus importante que le reste du monde modifie de manière sensible les opportunités données par la route maritime du Nord. Si cette dernière a fait l’objet de nombreuses recherches et expéditions depuis le XVIe siècle et a largement servi comme route maritime nationale à l’Union soviétique, ce n’est qu’aujourd’hui que son utilisation pour la navigation internationale devient réelle. Son développement peut servir d’alternative majeure aux voies traditionnelles de transport maritime à travers le Canal de Suez et celui de Panama profitant entre autres de la fonte des glaces, de l’exploitation grandissante des ressources énergétiques arctiques ainsi que du besoin énergétique des pays asiatiques avec la Chine au premier plan Climate change that is affecting the Arctic more significantly than the rest of the world brings new important opportunities for the Northern Sea Route. If the latter has been the subject of extensive research and expeditions since the 16th century and largely served as national route for the Soviet Union, its usage for international navigation becomes real nowadays. Its development can serve as a major alternative to the traditional channels of shipping through the Suez Canal and the Panama one thanks to the modern evolutions such as the melting ice, the growing exploitation of Arctic energy resources as well as the energy needs of Asian countries with China at the forefront

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    Authors: Doudnikoff, Marjorie;

    Longtemps ignorée, la pollution atmosphérique générée par l'activité de transport maritime fait l'objet depuis quelques années d'une attention accrue. Des politiques de réduction sont élaborées à différents niveaux pour réduire les polluants de l'air (oxyde de soufre, oxyde d'azote, particules) et les gaz à effet de serre (dioxyde de carbone). Règlementée par le droit international en référence à l'Annexe VI de la Convention MARPOL adoptée par les membres de l'Organisation Maritime Internationale, la pollution atmosphérique du transport maritime fait aussi l'objet de mesures spécifiques de la part de l'Union européenne. Notre travail vise à répondre à la problématique suivante : les politiques de réduction des émissions de gaz à effet de serre et de polluants de l'air des navires sont-elles de nature à modifier l'offre des services maritimes de lignes régulières ?Nous montrons en quoi les émissions de gaz à effet de serre et de polluants de l'air des navires constituent un « objet » de politique publique complexe et original, et comment l'action publique s'en saisit par une analyse des processus politiques qui ont façonné l'élaboration des différentes politiques. Nous démontrons alors que le format particulier des instruments de politique publique (régionalisation des règles, choix des moyens laissés aux compagnies pour atteindre les objectifs fixés, etc.), l'articulation des différentes politiques entre elles et leur évolution dans le temps rendent la prise en compte de ces politiques par les compagnies maritimes véritablement stratégique, au sens où elle dépasse la simple application des prescriptions traditionnelles normatives en matière de sécurité et d'environnement. Nous mettons ensuite en évidence les choix stratégiques possibles des armateurs, combinant des aspects techniques et organisationnels, et les conséquences de ces choix sur l'offre de services maritimes de lignes régulières, au travers de deux études de cas : la première portant sur le transport roulier transmanche et la seconde sur le transport conteneurisé international entre l'Europe et l'Asie. Nous soulignons ainsi les effets différenciés des politiques de réduction des émissions selon les marchés du cabotage et du long cours, mais aussi leurs points communs en matière d'évolution de l'offre de transport maritime. Il apparaît que les politiques de réduction des émissions du transport maritime favorisent certains changements de l'offre en conjonction avec d'autres facteurs plus qu'elles ne les amorcent réellement Atmospheric emissions from shipping was for a long time ignored, but have begun to attract an increasing amount of interest in recent years, with policies elaborated at different levels to reduce air pollutants (sulfur oxides, nitrogen oxides, particulate matters) and greenhouse gases (carbon dioxide). Regulated by international law in reference to Annex VI of MARPOL Convention adopted by member states of the International Maritime Organisation (IMO), emissions from shipping are also subject to specific measures by the European Union. This thesis aims to answer the following question: can policies to reduce emissions of greenhouse gases and air pollutants from ships alter the supply of maritime liner services? We show how emissions of greenhouse gases and air pollutants from ships are a complex and unique public policy issue and analyse the policy-making processes that have shaped the development of the various policies. We demonstrate that the specific format of public policy instruments (regionalisation of rules, set objectives with choice of means left to companies, etc.), as well as the articulation of the various policies and their development over time make the consideration of these policies by shipowners truly strategic, in the sense that it goes beyond the traditional compliance with prescriptive security and environmental norms. We then highlight, through two case studies, the possible strategic choices faced by shipowners, both technical and organisational in nature, as well as the consequences of these choices on the supply of maritime liner services: the first case study looks at roro transport in the English Channel while the second examines international container shipping between Europe and Asia. We highlight not only the differing effects of emission reduction policies on short sea shipping and deep-sea shipping markets, but also what they have in common with respect to changes in shipping services. It appears that emission reduction policies favour certain changes in supply in conjunction with other factors but that they do not necessarily trigger such changes

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    Authors: BROUNS, Jordan;

    Le secteur du bâtiment représente aujourd'hui près de 45% de la facture énergétique nationale, et le parc des bâtiments existants se renouvelle lentement. L'audit énergétique est un outil d'aide à la décision permettant d'améliorer la performance des bâtiments en proposant des scénarios de rénovation adaptés. Cependant, les méthodes d'audit actuelles ne parviennent pas à saisir réellement les propriétés thermiques des bâtiments et les propositions de rénovation peuvent être inadaptées. Nous proposons une méthode innovante d'audit énergétique des bâtiments qui permet de réduire fortement les incertitudes sur les paramètres et la réponse thermique du modèle. Elle diffère des méthodes classiques par son protocole opératoire et ses outils de résolution numérique. En plus du recueil des scénarios d'usage, des caractéristiques thermiques des systèmes et du bâti, et des conditions climatiques, elle exploite l'information contenue dans la mesure de l'état thermique, composé des températures des pièces et des températures de surfaces de certaines parois et des émetteurs. Ces données alimentent un problème inverse d'identification de paramètres. L'utilisation d'un modèle aux EDP nous donne accès aux outils du contrôle optimal, et notamment à la méthode de l'état adjoint. Avec ce formalisme, le problème inverse se réécrit comme un problème d'optimisation non linéaire de calibration du modèle thermique. Les paramètres inconnus sont constitués des paramètres les plus influents : la capacité et la conductivité thermiques des parois, les caractéristiques des émetteurs, la transmittance des fenêtres et le débit de renouvellement d'air moyen. Nous proposons deux variantes de la méthode, que nous appliquons sur un cas d'étude numérique. La première nécessite les données de chaque puissance individuelle fournie aux émetteurs, et la seconde utilise une mesure globale de production de chaleur. L'approche est étudiée numériquement : le modèle thermique sert à la fois pour la génération des mesures et pour l'identification. Une fois les mesures de l'état thermique synthétisées, les paramètres retenus sont perturbés suivant les incertitudes classiques du bâtiment. Nous éprouvons la méthode sur un échantillon de tirages aléatoires, engendrant autant d'initialisations pour l'algorithme, afin de calculer l'incertitude de la méthode. L'allègement du protocole opératoire pour la seconde variante se traduit toutefois par une baisse de la précision de l'identification. Nous analysons la robustesse de la méthode lorsque les conditions climatiques de l'audit changent, que le bruit des capteurs de l'état thermique augmente, et pour de fortes incertitudes initiales des paramètres. Nous montrons que la méthode est stable par rapport au bruit des capteurs et que l'incertitude sur l'état thermique du bâtiment est globalement réduite. Afin d'améliorer la prise en compte de l'aéraulique, nous proposons une technique permettant de discriminer deux sources ayant des dynamiques différentes : l'une constante par morceaux, l'autre régulière dans le temps. La méthode résout un problème inverse prenant en compte la régularité des fonctions par projection. Cet outil est validé sur une étude expérimentale, dont les résultats démontrent la robustesse au bruit de mesure. Ce résultat constitue un jalon dans la volonté de s'affranchir de la contrainte de maîtrise de scénarios d'usage de la méthode d'audit. Enfin, nous proposons un formalisme inverse pour caractériser les propriétés thermiques d'une structure 3D à partir de mesures de température sur une partie de sa frontière. L'outil permet de reconstruire différentes formes et natures de défauts. Il pourrait trouver des débouchés dans la caractérisation de défauts d'isolation ou de ponts thermiques The building sector currently accounts for nearly 45% of the national energy bill, and the existing buildings are slowly renewed. Energy audit is a tool for decision support to improve building performance by providing suitable renovation strategies. However, actual energy audit methods fail to completely determine the building thermal properties, and the proposed retrofit strategies may be inappropriate. We propose an innovative energy audit method which significantly reduces the uncertainties on the building thermal parameters and the thermal state. It differs from conventional methods by its operating protocol and its numerical resolution. In addition to the collection of use scenarios, thermal characteristics of built and systems, and weather conditions, it exploits the information embedded in the measurement of the thermal state, composed of the temperatures of the rooms, and the surface temperature of walls and heating devices. This data feed an inverse problem of parameters identification. Using a model for EDP gives us a direct access to the tools of the optimal control theory, including the adjoint state method. With this formalism, the inverse problem can be rewritten as a nonlinear optimization problem of the calibration of the thermal model. The unknown parameters consist of the most influential parameters of the building thermal model: the heat capacity and the thermal conductivity of the walls, the heaters characteristics, the windows transmittance and the mean rate of air renewal. We propose two alternatives to the method. The first requires the data of each individual power provided to heating device, and the second uses a global measure of the heat production. We apply them on a numerical case study: the thermal model is used for both the measures generation and the parameters identification. Once the thermal state measurements are synthesized, the selected parameters are disturbed by conventional uncertainties of the building. We investigate the method on a randomly generated sample, which gives us as many starting values for the algorithm. This allows to compute the uncertainty of the method. Reducing the operating protocol for the second alternative results in a decrease of the identification accuracy. We analyze the robustness of the method when the weather conditions of the audit change, when the sensor noise of the thermal state increases, and when we deal with strong initial parameter uncertainties. We show that the method is stable compared to the sensor noise and the thermal response of the rooms is generally well reconstructed. In order to improve the ventilation consideration, we then propose a technique to distinguish two thermal sources whose dynamics differ: one piecewise constant, and one smooth in time. The method is to solve an inverse problem, taking into account the temporal regularity of functions by a projection step. This tool has been validated on an experimental study, and the results demonstrate robustness to measurement noise. This result is a milestone in the will to overcome the constraint of precisely describing to use scenarios in the audit methodology. Finally, we propose an inverse formalism to characterize the thermal properties of a 3D structure from temperature measurements on a part of its boundary. The tool allows the reconstruction of various types and forms of internal defects. He could find opportunities in the thermal building diagnostics for characterizing insulation defects or thermal bridges

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    Other literature type . 2014
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    Hal-Diderot
    Doctoral thesis . 2014
    Data sources: Hal-Diderot
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      Other literature type . 2014
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      Hal-Diderot
      Doctoral thesis . 2014
      Data sources: Hal-Diderot
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    Authors: Codani, Paul;

    Les ventes de Véhicules Électriques (VE) ont fortement augmenté ces dernières années. Si les processus de charge de ces VE ne sont pas gérés de manière intelligente, ils risquent de surcharger les réseaux électriques. Inversement, les VE pourraient représenter une opportunité pour ces réseaux en tant qu'unités de stockage distribuées.Cette thèse se propose d’étudier l’intégration intelligente des véhicules rechargeables dans les réseaux électriques d’un point de vue technique, réglementaire et économique. Dans un premier temps, le cadre général nécessaire au développement de ces solutions est passé en revue : les domaines d’application et scenarios de référence sont décrits, les acteurs principaux listés, et les défis principaux analysés.Ensuite, l’accent est mis sur les services système, et plus particulièrement sur le réglage de fréquence. Les conditions règlementaires permettant la participation d’une flotte de véhicules électriques à ce service sont étudiées à partir d’une revue des règles de gestionnaires de réseau de transport existants. De nombreuses simulations techniques et économiques sont réalisées, pour différentes règles de marché.Les services réseau locaux sont ensuite considères. Un éco-quartier est modélisé : il comprend différentes unités de consommation et des sources de production distribuées. Un gestionnaire énergétique local est proposé : son rôle est de contrôler les taux de charge / décharge des véhicules électriques de l’éco-quartier dans l’objectif de limiter les surcharges subies par le transformateur électrique de l’éco-quartier. Des conséquences économiques sont tirées des résultats techniques.Enfin, des résultats expérimentaux sont présentés. Le comportement de deux VE est analysé, dont un dispose de capacités bidirectionnelles. Les preuves de concept expérimentales confirment les capacités théoriques des véhicules électriques : il s’agit d’unités à temps de réponse très court (même en considérant l’architecture TIC complète) et ils sont capables de réagir à des signaux réseau très précisément. Electric vehicles (EVs) penetration has been rapidly increasing during the last few years. If not managed properly, the charging process of EVs could jeopardize electric grid operations. On the other hand, Grid Integrated Vehicles (GIVs), i.e. vehicles whose charging and discharging patterns are smartly controlled, could turn into valuable assets for the electrical grids as distributed storage units.In this thesis, GIVs are studied from a technical, regulatory, and economics perspectives. First, the general framework for a smart grid integration of EVs is reviewed: application areas and benchmark scenarios are described, the main actors are listed, and the most important challenges are analyzed.Then, the emphasis is put on system wide services, and more particularly on frequency control mechanisms. The regulatory conditions enabling the participation of GIV fleets to this service are studied based on an intensive survey of existing transmission system operator rules. Several economics and technical simulations are performed for various market designs.Then, local grid services are investigated. A representative eco-district is modeled, considering various consumption units and distributed generation. A local energy management system is proposed; it is responsible for controlling the charging / discharging patterns of the GIVs which are located in the district in order to mitigate the overloading conditions of the eco-district transformer. Economic consequences are derived from this technical analysis.At last, some experimental results are presented. They show the behavior of two GIVs, including one with bidirectional capabilities. The experimental proof of concepts confirm the theoretical abilities of GIVs: they are very fast responding units (even considering the complete required IT architecture) and are able to follow grid signals very accurately.

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    Hal-Diderot
    Doctoral thesis . 2016
    Data sources: Hal-Diderot
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      Hal-Diderot
      Doctoral thesis . 2016
      Data sources: Hal-Diderot
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