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The introduction of intermittent renewable energies, the implementation of a thermal regulation, which decreases heating needs of a factor between 5 and 10, causes a redesign of heating systems integrating energy efficiency and the cut-off of domestic equipments during peak hours. This thesis involves the study and design of a heat pump incorporating a latent thermal storage in its condenser. This storage will allow a cut-off during at least two hours. The heating needs of a low-energy consumption house (BBC) have been estimated as well as the heat amount to be stored so as to ensure such a cut-off. A study on the phase-change phenomenon and the PCM has been carried out in order to select suitable materials for this application. A dynamic model of the phase change was also developed. Four candidate materials were selected and analyzed by tuned Differential Scaning Calorimetry (DSC) with adjustment by the inverse method. Several storing-exchanger structures have been proposed, simulated, and optimized; two of them have been realized. Both heat exchangers have been tested alone and then integrated into a heat pump system. The final generation gave very promising results for the development of an efficient heat pump with storage. Finally, the heat storage effect has been evaluated in terms of energy efficiency and CO2 emissions. This heat pump presents potential improvement of the seasonal COP between 20% and 30% compared to air-to-water and air-to-air heat pumps because of the smart monitoring of the energy storage/delivery due to the heat pump operation during the most favorable hours of the day and by avoiding short cycles operation corresponding to low heating needs.; L'introduction des énergies renouvelables intermittentes, la mise en place d'une réglementation thermique qui baisse les besoins de chauffage d'un facteur 5 à 10, entraîne une re-conception des moyens de chauffage intégrant efficacité énergétique et effacement d'équipements domestiques lors des heures de pointe. Cette thèse comporte l'étude et la conception d'une PAC intégrant un stockage thermique par chaleur latente dans son condenseur. Ce stock permettra un effacement d'au moins deux heures. Les besoins d'une maison basse consommation (BBC) ont été évalués ainsi que la quantité de chaleur à stocker afin d'assurer cet effacement. Une étude sur le phénomène de changement de phase et les MCP a été menée afin de sélectionner un matériau adapté à cette application. Le phénomène de changement de phase a été modélisé en régime dynamique. Quatre matériaux candidats ont été sélectionnés et analysés par colorimétrie différentielle (DSC) avec ajustement par méthode inverse. Plusieurs structures de l'échangeur stockeur ont été proposées, simulées et optimisées et deux ont été choisies et réalisées. Les deux échangeurs réalisés ont été testés seuls et intégrés dans un système de PAC. La dernière génération a donné des résultats très encourageants pour le développement d'une PAC à stockage efficace. Finalement, l'apport de stockage a été évalué en termes d'efficacité énergétique et d'émissions de CO2. Cette PAC présente une amélioration potentielle du COP saisonnier de 20 à 30 % comparativement à des PAC air/eau et air/air du fait de la gestion intelligente du stockage/déstockage d'énergie en faisant fonctionner la PAC pendant les heures les plus favorables de la journée et en évitant les cycles courts de fonctionnement correspondant aux besoins thermiques faibles.

The introduction of intermittent renewable energies, the implementation of a thermal regulation, which decreases heating needs of a factor between 5 and 10, causes a redesign of heating systems integrating energy efficiency and the cut-off of domestic equipments during peak hours. This thesis involves the study and design of a heat pump incorporating a latent thermal storage in its condenser. This storage will allow a cut-off during at least two hours. The heating needs of a low-energy consumption house (BBC) have been estimated as well as the heat amount to be stored so as to ensure such a cut-off. A study on the phase-change phenomenon and the PCM has been carried out in order to select suitable materials for this application. A dynamic model of the phase change was also developed. Four candidate materials were selected and analyzed by tuned Differential Scaning Calorimetry (DSC) with adjustment by the inverse method. Several storing-exchanger structures have been proposed, simulated, and optimized; two of them have been realized. Both heat exchangers have been tested alone and then integrated into a heat pump system. The final generation gave very promising results for the development of an efficient heat pump with storage. Finally, the heat storage effect has been evaluated in terms of energy efficiency and CO2 emissions. This heat pump presents potential improvement of the seasonal COP between 20% and 30% compared to air-to-water and air-to-air heat pumps because of the smart monitoring of the energy storage/delivery due to the heat pump operation during the most favorable hours of the day and by avoiding short cycles operation corresponding to low heating needs.; L'introduction des énergies renouvelables intermittentes, la mise en place d'une réglementation thermique qui baisse les besoins de chauffage d'un facteur 5 à 10, entraîne une re-conception des moyens de chauffage intégrant efficacité énergétique et effacement d'équipements domestiques lors des heures de pointe. Cette thèse comporte l'étude et la conception d'une PAC intégrant un stockage thermique par chaleur latente dans son condenseur. Ce stock permettra un effacement d'au moins deux heures. Les besoins d'une maison basse consommation (BBC) ont été évalués ainsi que la quantité de chaleur à stocker afin d'assurer cet effacement. Une étude sur le phénomène de changement de phase et les MCP a été menée afin de sélectionner un matériau adapté à cette application. Le phénomène de changement de phase a été modélisé en régime dynamique. Quatre matériaux candidats ont été sélectionnés et analysés par colorimétrie différentielle (DSC) avec ajustement par méthode inverse. Plusieurs structures de l'échangeur stockeur ont été proposées, simulées et optimisées et deux ont été choisies et réalisées. Les deux échangeurs réalisés ont été testés seuls et intégrés dans un système de PAC. La dernière génération a donné des résultats très encourageants pour le développement d'une PAC à stockage efficace. Finalement, l'apport de stockage a été évalué en termes d'efficacité énergétique et d'émissions de CO2. Cette PAC présente une amélioration potentielle du COP saisonnier de 20 à 30 % comparativement à des PAC air/eau et air/air du fait de la gestion intelligente du stockage/déstockage d'énergie en faisant fonctionner la PAC pendant les heures les plus favorables de la journée et en évitant les cycles courts de fonctionnement correspondant aux besoins thermiques faibles.

Heat and mass transfers are two physical phenomena at the base of many thermal systems involved in various fields, such as industries, buildings or renewable energies. The present researches tackle different optimization methodologies of structures subject to heat transfers, coupled with a fluid flow or not, in the topological sense of the term. The partial differential equations describing the physical phenomena are discretized thanks to the finite volume method. The first part of the thesis successively studies three different classes of approaches: constructal theory, cellular automaton, and the solid isotropic material with penalization method. The same academic case, aiming at the optimal cooling of a finite-size volume generating heat, is tackled by means of these three methods, allowing the comparison of the performances of each algorithm. This comparison shows that the method based on the material penalization performs better than the first two approaches, structurally and quantitatively, and also establishes solutions based on a trade-off in the frame multi-objective optimization. Consequently, the second part applies this method to configurations subject to heat and mass transfers with laminar flows. The use of penalization parameters in conjunction with the finite volume method requires a regularization of the viscous dissipation along the solid/fluid interfaces. A bi-objective approach is implemented in order to minimize the total power dissipated by the fluid, while maximizing the thermal energy recovered from the system. The solutions show non-trivial configurations that can be categorized in four different topological classes. The present researches open a new investigation field for fluid flows coupled with the problem of heat transport.; Les transferts de chaleur et de masse sont deux phénomènes physiques à la base de nombreux systèmes thermiques employés dans des secteurs variés tels que l'industrie, le bâtiment ou encore les énergies renouvelables. Les présents travaux de recherche envisagent différentes méthodologies d'optimisation de configurations assurant le transfert de flux de chaleur, couplé ou non à un écoulement fluide, au sens topologique du terme. Les équations aux dérivées partielles décrivant les phénomènes physiques sont discrétisées avec la méthode des volumes finis. La première partie du manuscrit examine successivement trois classes différentes de méthodes: la théorie constructale, les automates cellulaires et les méthodes par pénalisation. Le même cas académique, portant sur le refroidissement d'un volume fini générant de la chaleur, est résolu au moyen de ces trois méthodes, ce qui permet ainsi de comparer les performances de chaque algorithme. Cette comparaison démontre l'ascendant des méthodes par pénalisation sur les deux premiers types, tant structurellement que quantitativement, et permet également d'établir des solutions basées sur des compromis dans le cadre d'optimisations multi-objectifs. Par conséquent, la seconde partie envisage l'application de cette approche à des configurations réalisant des transferts de chaleur conducto-convectifs en régime laminaire. L'utilisation de paramètres de pénalisation en conjonction avec les volumes finis requiert une régularisation de la dissipation visqueuse le long de l'interface fluide/solide. Une approche bi-objectif est développée visant à minimiser la puissance dissipée par le fluide, tout en maximisant l'énergie thermique récupérée sur le système. Les solutions obtenues adoptent des configurations non-triviales qui sont divisibles en quatre classes topologiques différentes. La thèse ouvre ainsi un nouveau champ d'investigation pour l'optimisation d'écoulements couplés à la problématique du transport de chaleur.

Heat and mass transfers are two physical phenomena at the base of many thermal systems involved in various fields, such as industries, buildings or renewable energies. The present researches tackle different optimization methodologies of structures subject to heat transfers, coupled with a fluid flow or not, in the topological sense of the term. The partial differential equations describing the physical phenomena are discretized thanks to the finite volume method. The first part of the thesis successively studies three different classes of approaches: constructal theory, cellular automaton, and the solid isotropic material with penalization method. The same academic case, aiming at the optimal cooling of a finite-size volume generating heat, is tackled by means of these three methods, allowing the comparison of the performances of each algorithm. This comparison shows that the method based on the material penalization performs better than the first two approaches, structurally and quantitatively, and also establishes solutions based on a trade-off in the frame multi-objective optimization. Consequently, the second part applies this method to configurations subject to heat and mass transfers with laminar flows. The use of penalization parameters in conjunction with the finite volume method requires a regularization of the viscous dissipation along the solid/fluid interfaces. A bi-objective approach is implemented in order to minimize the total power dissipated by the fluid, while maximizing the thermal energy recovered from the system. The solutions show non-trivial configurations that can be categorized in four different topological classes. The present researches open a new investigation field for fluid flows coupled with the problem of heat transport.; Les transferts de chaleur et de masse sont deux phénomènes physiques à la base de nombreux systèmes thermiques employés dans des secteurs variés tels que l'industrie, le bâtiment ou encore les énergies renouvelables. Les présents travaux de recherche envisagent différentes méthodologies d'optimisation de configurations assurant le transfert de flux de chaleur, couplé ou non à un écoulement fluide, au sens topologique du terme. Les équations aux dérivées partielles décrivant les phénomènes physiques sont discrétisées avec la méthode des volumes finis. La première partie du manuscrit examine successivement trois classes différentes de méthodes: la théorie constructale, les automates cellulaires et les méthodes par pénalisation. Le même cas académique, portant sur le refroidissement d'un volume fini générant de la chaleur, est résolu au moyen de ces trois méthodes, ce qui permet ainsi de comparer les performances de chaque algorithme. Cette comparaison démontre l'ascendant des méthodes par pénalisation sur les deux premiers types, tant structurellement que quantitativement, et permet également d'établir des solutions basées sur des compromis dans le cadre d'optimisations multi-objectifs. Par conséquent, la seconde partie envisage l'application de cette approche à des configurations réalisant des transferts de chaleur conducto-convectifs en régime laminaire. L'utilisation de paramètres de pénalisation en conjonction avec les volumes finis requiert une régularisation de la dissipation visqueuse le long de l'interface fluide/solide. Une approche bi-objectif est développée visant à minimiser la puissance dissipée par le fluide, tout en maximisant l'énergie thermique récupérée sur le système. Les solutions obtenues adoptent des configurations non-triviales qui sont divisibles en quatre classes topologiques différentes. La thèse ouvre ainsi un nouveau champ d'investigation pour l'optimisation d'écoulements couplés à la problématique du transport de chaleur.

The market of liquefied natural gas (LNG) is growing and presents the advantage of diversifying supplies. The LNG is fed at a temperature of -162°C and at atmospheric pressure. The main objective of the thesis aims at the valorization of the LNG exergy during its gasification and heating before being delivered through the network. The thesis investigates a new concept of gasification that differs from the current developments by the use of ambient air as the only heat source and by partial valorization of the LNG exergy in mechanical energy.An energy and exergy analysis helped to the definition of engine-cycle architectures using the air heating capacity as a heat source (recovered by an intermediate fluid, here propane) and LNG as a cold sink.The use of ambient air led to manage frosting and defrosting cycles on the evaporators of intermediate fluid recovering heat from the air. This requires understanding the coupled heat and mass-transfer phenomena. A test bench was built to characterize Circular Finned-Tube Heat Exchangers in frosting conditions and to validate a numerical model simulating the behavior of such heat exchangers in presence of frost. As a result, a logic for the design and operation of air heat exchangers is proposed taking into account the frosting effect. A seasonal study showed that the output power generated by the new concept of gasification is superior to its energy consumption throughout the year.; Le marché du gaz naturel liquéfié (GNL) est en plein essor et présente l'avantage de diversifier les approvisionnements. Le GNL est acheminé à une température de -162 °C et à pression atmosphérique. L'objet principal de la thèse vise à valoriser l'exergie contenue dans le GNL lors de sa gazéification et de son réchauffage avant d'être distribué sur le réseau. La thèse étudie un nouveau concept de gazéification qui se différentie des développements en cours par l'usage de l'air ambiant comme seule source de chaleur et par la valorisation d'une partie de l'exergie du GNL en énergie mécanique.Une analyse énergétique et exergétique a permis de définir des architectures de cycles moteurs utilisant l'énergie calorifique de l'air comme source chaude (récupérée par un fluide intermédiaire qui est le propane) et le GNL comme puits froid.L'usage de l'air ambiant conduit à gérer les cycles de givrage et dégivrage sur les évaporateurs du fluide intermédiaire récupérant les calories de l'air. Ceci nécessite la compréhension des phénomènes couplés de transferts de chaleur et de masse. Pour cela un banc d'essai a été construit afin de caractériser des échangeurs à ailettes rondes discontinues en condition de givrage et de valider un modèle numérique simulant le comportement de ces échangeurs en présence de givre. Cette modélisation a permis de proposer une logique de dimensionnement et d'exploitation des évaporateurs à air en prenant en compte l'effet du givre. Une étude saisonnière a montré que le procédé proposé est énergétiquement excédentaire tout au long de l'année.

The market of liquefied natural gas (LNG) is growing and presents the advantage of diversifying supplies. The LNG is fed at a temperature of -162°C and at atmospheric pressure. The main objective of the thesis aims at the valorization of the LNG exergy during its gasification and heating before being delivered through the network. The thesis investigates a new concept of gasification that differs from the current developments by the use of ambient air as the only heat source and by partial valorization of the LNG exergy in mechanical energy.An energy and exergy analysis helped to the definition of engine-cycle architectures using the air heating capacity as a heat source (recovered by an intermediate fluid, here propane) and LNG as a cold sink.The use of ambient air led to manage frosting and defrosting cycles on the evaporators of intermediate fluid recovering heat from the air. This requires understanding the coupled heat and mass-transfer phenomena. A test bench was built to characterize Circular Finned-Tube Heat Exchangers in frosting conditions and to validate a numerical model simulating the behavior of such heat exchangers in presence of frost. As a result, a logic for the design and operation of air heat exchangers is proposed taking into account the frosting effect. A seasonal study showed that the output power generated by the new concept of gasification is superior to its energy consumption throughout the year.; Le marché du gaz naturel liquéfié (GNL) est en plein essor et présente l'avantage de diversifier les approvisionnements. Le GNL est acheminé à une température de -162 °C et à pression atmosphérique. L'objet principal de la thèse vise à valoriser l'exergie contenue dans le GNL lors de sa gazéification et de son réchauffage avant d'être distribué sur le réseau. La thèse étudie un nouveau concept de gazéification qui se différentie des développements en cours par l'usage de l'air ambiant comme seule source de chaleur et par la valorisation d'une partie de l'exergie du GNL en énergie mécanique.Une analyse énergétique et exergétique a permis de définir des architectures de cycles moteurs utilisant l'énergie calorifique de l'air comme source chaude (récupérée par un fluide intermédiaire qui est le propane) et le GNL comme puits froid.L'usage de l'air ambiant conduit à gérer les cycles de givrage et dégivrage sur les évaporateurs du fluide intermédiaire récupérant les calories de l'air. Ceci nécessite la compréhension des phénomènes couplés de transferts de chaleur et de masse. Pour cela un banc d'essai a été construit afin de caractériser des échangeurs à ailettes rondes discontinues en condition de givrage et de valider un modèle numérique simulant le comportement de ces échangeurs en présence de givre. Cette modélisation a permis de proposer une logique de dimensionnement et d'exploitation des évaporateurs à air en prenant en compte l'effet du givre. Une étude saisonnière a montré que le procédé proposé est énergétiquement excédentaire tout au long de l'année.

Co-encadrement de la thèse : Jean-Marie Seiler (CEA); Biomass will account for a growing part of world primary energy consumption and its uses should be optimized. This thesis asks to what extent second generation biofuels can contribute to such an optimization and focuses on Fischer-Tropsch liquid biofuels. In order to address this issue, two levels of approach are proposed: - at process scale, the best performances are sought among a family of about one hundred options, - on the level of the French energy system, the massive introduction of the best processes is assessed. Implementing this approach has shown how: - thermochemical biofuel processes enable to combine biomass with other less limited primary energies in order to transfer a maximum of renewable carbon from biomass into liquid fuels, but costs remain high; - optimal allocation of biomass and the part that biofuels should take in this optimization highly depend on the global evolution of the energy system and on the feasibility of CO2 storage.; La biomasse est appelée à représenter une part croissante de la consommation mondiale d'énergie primaire et la recherche de l'optimisation de l'usage d'une telle ressource, abondante mais pas pléthorique, s'impose. Cette thèse pose la question de la place, dans cette optimisation, des biocarburants de deuxième génération, en se focalisant sur la voie thermochimique, et plus particulièrement sur la synthèse de carburants liquides par le procédé Fischer-Tropsch qui permet d'obtenir des hydrocarbures du type naphta, kérosène et gazole. Pour traiter cette question, une démarche d'évaluation est proposée, qui comporte : - une évaluation à l'échelle des procédés, appliquée à une famille comportant au départ une centaine d'options, - une approche systémique pour évaluer l'insertion des procédés dans le système énergétique français futur. La mise en œuvre de cette démarche d'évaluation montre comment : - les procédés thermochimiques de production de biocarburants de deuxième génération permettent d'associer la biomasse et d'autres énergies primaires moins limitées pour maximiser le transfert de carbone renouvelable de la biomasse dans des carburants liquides, mais à des coûts qui restent élevés ; - la réponse à la question de l'optimisation de l'usage de la biomasse et de la place à donner aux biocarburants dépend fortement de l'évolution globale du système énergétique et de la faisabilité du stockage du CO2.

Confidentielle jusqu'au 31 décembre 2013Co-encadrement de la thèse : Maroun Nemer; Distillation columns are one of the main methods used for separating the components of the air. Their inconvenient is the high energy consumption. In order to produce the oxygen needed for oxycombustion with low energy costs, a diabatic distillation column for cryogenic air separation is designed and modeled. It consists of a shell and tubes heat exchanger where the tubes constitute a first column operating at low pressure and the shell a second one operating at high pressure. Coupled mass and heat transfers are modeled and the diabatic column simulated. A comparative exergy analysis between three types of distillation columns for cryogenic air separation shows that the exergy efficiency of the diabatic column designed is 23 % higher than that of the conventional double columns. The distribution of the mixtures in the tubes and the shell is a key point in the distillation process in the shell and tubes heat exchanger. The different forms of uneven distribution are studied and solutions are proposed. A pilot is designed in order to validate experimentally the theoretical concept of diabatic distillation of cryogenic air.; Les colonnes de distillation de l'air constituent l'un des procédés principaux de séparation des composants de l'air mais posent le problème des consommations énergétiques élevées. Dans le but de produire les quantités d'oxygène nécessaire pour les procédés d'oxycombustion à faibles coûts énergétiques, une colonne de distillation diabatique pour la séparation de l'air cryogénique est conçue et modélisée. Elle consiste en un échangeur tubes-calandre où les tubes constituent une première colonne opérant à basse pression et la calandre en constitue une deuxième opérant à haute pression. Les transferts de masse et de chaleur couplés sont modélisés et le fonctionnement de la colonne est simulé. Une analyse exergétique comparative entre trois types de colonnes de distillation d'air cryogénique montre que l'efficacité exergétique de la colonne diabatique conçue est 23 % fois plus élevée que celle des colonnes doubles conventionnelles. La distribution des mélanges dans les tubes et dans la calandre est un point clé dans le procédé de distillation dans l'échangeur tubes-calandre. Les différentes formes de mal répartition sont étudiées et des solutions proposées. Une colonne pilote est dimensionnée pour valider expérimentalement le concept théorique de la distillation diabatique de l'air cryogénique.

Maître de thèse : Assaad Zoughaib; Energy and environmental contexts will impose long term efforts in energy efficiency in industry. Heat pumps for high-temperature applications and industrial use have often been neglected though many opportunities exist for recovering the waste heat generated by industrial processes. A laboratory industrial scale heat recovery system including a heat pump is designed and built to carry out experimental simulations by reproducing the operating conditions of real case applications in food industries. The system operates using pinch analysis principle. Several typical scenarios for low- temperature heat recovery and heat upgrading are experimentally simulated. First and second law of thermodynamics are applied to experimental results and show that improving heat pump performance is a major challenge to increase its efficiency and profitability. A detailed numerical model of shell and U-tube evaporators with a generic flow arrangement is developed and experimentally validated. A new method of intermediate complexity level is developed to model these types of evaporators: distributed parameter model using Modelica language. This level of complexity is necessary to simulate accurately the zeotropic refrigerant mixtures evaporation. An overall liquid-to-liquid industrial heat pump model is developed including the evaporator model. Numerical simulations in a typical industrial scenario with zeotropic mixtures, original and modified condensers, and flow arrangement of evaporators are performed. Results showed that it would be possible to improve the performance significantly with zeotropic mixtures if the heat pump heat exchangers had counter-flow arrangement.; Les contextes énergétiques et environnementaux imposeront durablement au secteur industriel la poursuite des efforts en matière d'efficacité énergétique. La récupération de chaleur fatale sur des rejets et effluents industriels à basse température avec des pompes à chaleur industrielles représente un potentiel d'amélioration significatif de l'efficacité énergétique de ce secteur. Un simulateur expérimental de l'intégration d'un système de récupération thermique à pompe à chaleur dans les procédés industriels agroalimentaires a été conçu et construit. Le banc d'essais constitue un générateur de courbes composites et son but est de démontrer le principe du pompage de la chaleur dans l'industrie tout en respectant les lois de la méthode du pincement. Un ensemble de scénarios industriels correspondant à des températures procédés et rejets variées a été testé sur le simulateur. L'analyse des résultats selon les premier et deuxième principes de la thermodynamique montre que l'amélioration de la performance de la pompe à chaleur est un défi pour augmenter son efficacité et sa rentabilité. Un modèle numérique des évaporateurs tubes-calandre en épingle de configuration générique est développé et validé expérimentalement. Une nouvelle méthode ayant un niveau de complexité intermédiaire est élaborée pour modéliser ces évaporateurs : discrétisation en volumes finis utilisant le langage Modelica. Ce niveau de détail est indispensable pour simuler son fonctionnement avec les mélanges de fluides zéotropes. Enfin, un modèle complet de pompe à chaleur industrielles liquide/liquide est développé intégrant le modèle de l'évaporateur. Des simulations numériques dans un scénario industriel typique avec des mélanges de fluides et des configurations originales et modifiées des échangeurs tubes-calandres ont été effectuées. Les résultats montrent qu'il est possible d'améliorer significativement les performances à condition d'utiliser les mélanges zéotropes avec des condenseurs et évaporateurs tubes-calandres à configuration contre- courants.

Thèse confidentielle jusqu'au 31 octobre 2013 Co-encadrement de la thèse : Assaad Zoughaib; The improvement of energy efficiency in the industry is essential in achieving the objective of mitigation of greenhouse gases. In the agro food process industry, lukewarm effluents are rejected to drain. Recovering heat from these effluents by using preheating exchangers and heat pumps (HP) allows providing heat at higher temperature levels (like cleaning solutions and hot sanitary water) and replacing boilers. These needs may concern batch and semi-batch processes. Storage tanks are therefore used together with heat pumps. The optimization of heat pumps and storage tanks sizes is a multi-objective method. This method is based on a thermodynamic criterion (calculating the exergy destruction in the system) and an economic criterion (calculating the payback period, the cost of investment and the operating cost, and integrating the environmental impact). The dynamic exergy analysis shows that using two separated storage tanks (variable volume and uniform temperature tanks) is better than one tank (constant volume stratified storage tank). On the other hand, a multi-criteria method is used to design heat pumps in order to maximize its performances. It allows designing optimal mixtures of refrigerants. These choices are validated experimentally with a heat pump prototype. Finally, the economic and environmental gains obtained with the heat pump compared to a fuel boiler are quantified for all heat demands.; L'amélioration de l'efficacité énergétique dans l'industrie est un des leviers importants pour la limitation des émissions de gaz à effet de serre. Dans l'industrie agro-alimentaire, des effluents tièdes sont rejetés aux égouts. La valorisation de l'énergie contenue dans ces effluents à l'aide d'échangeurs préchauffeurs et de pompes à chaleur (PAC) permet d'assurer des besoins de chaleur à des niveaux de température plus élevés (comme les solutions de lavage des outils et l'eau chaude sanitaire) et de remplacer les chaudières. Ces besoins concernent souvent des procédés batch ou semi-batch; pour cela, des réservoirs de stockage sont utilisés avec les pompes à chaleur. L'optimisation des tailles des pompes à chaleur et des réservoirs de stockage est une méthode multi-objectifs; elle est basée sur un critère thermodynamique (calculant la destruction d'éxergie dans le système) et un critère économique (calculant le temps de retour sur investissement, le coût d'investissement et le coût opérationnel et intégrant l'impact environnemental). La méthodologie de l'analyse exergétique en dynamique a montré que l'utilisation de deux réservoirs de stockage (à température constante et à volume variable séparés) est plus avantageuse (économiquement et exergétiquement) que l'usage d'un seul réservoir stratifié à volume constant. D'autre part, une méthodologie multicritères est proposée et utilisée pour concevoir les pompes à chaleur, et choisir le mélange de fluides frigorigènes. Ces choix sont validés expérimentalement avec un prototype de pompes à chaleur pour les différents niveaux de température. Finalement, les gains économiques et environnementaux apportés par ces pompes à chaleur comparativement à une chaudière à fioul sont quantifiés pour les différents besoins.

This thesis aims at giving a better understanding of present Life Cycle Assessment (LCA) results for biofuels in order to identify their potential and breathing spaces from an energy consumption and GreenHouse Gases (GHG) emissions point of view. To this end, LCA methodology and existing studies on first generation biofuels were reviewed; then a sensitivity analysis on methodological and data parameters allowed identifying the roots of the discrepancies of results. Methodological choices appeared to be very crucial elements for final results and recommendations were made for LCA carrying out for biofuels. The close relationship between LCA results and local specificities of production were also underlined. A simplified process simulation was then performed to evaluate the impacts of technological and by-products uses alternatives on LCA results. Energy use of by-products shows the most important potential savings per MJ although its economic profitability is only ensured for high oil prices and reasonable agricultural prices and its GHG savings per used hectares are lower than in the reference cases. Finally LCA methodology was completed by integrating soil quality, especially their role as carbon sinks, within the system boundaries. This led to suggest a more specific temporal framework for comparisons of scenarios and to define a dynamic method of GHG weighting consistent with current uses of Global Warming Potentials and according to their emission year. Application of GHG weighting on two case studies of land-use changes was done and showed the need for assessments of biofuels of defining efficient land use criteria in addition to the GHG savings criteria from Directive 2009/28/CE.; Cette thèse vise à clarifier le panorama actuel des résultats d'Analyse de Cycle de Vie (ACV) pour les carburants issus de cultures végétales, en vue d'identifier le potentiel et les marges de manœuvre de ces filières, pour la consommation d'énergie et les émissions de Gaz à Effet de Serre (GES). A cette fin, après une analyse bibliographique de la méthodologie d'ACV, les études existantes sur les carburants végétaux de première génération sont revues et les causes de leurs disparités identifiées par une analyse de sensibilité portant sur les paramètres méthodologiques et les données. Il apparaît que les choix méthodologiques ont un impact prépondérant sur les résultats finaux, et des recommandations sont formulées quant à la réalisation de ces études d'ACV. Le lien étroit entre résultats d'ACV et localisation de la production est également relevé. Une simulation simplifiée des procédés a ensuite été effectuée pour mesurer l'impact sur les bilans d'ACV de variantes technologiques ou de modes de valorisation des co-produits. Si la valorisation énergétique des co-produits montre le potentiel d'économies le plus important, sa rentabilité n'est assurée que pour des prix du baril élevés et des cours des marchés agricoles modérés, et les économies de GES réalisées par hectare mobilisé sont moindres que dans les cas de référence. Enfin la méthodologie de l'ACV est complétée en intégrant le rôle des sols en tant que puits de carbone au sein des frontières du système. Ceci a conduit à proposer un cadre temporel de comparaison des scénarios plus précis, ainsi qu'à définir une méthode dynamique de pondération des GES en fonction de leur année d'émission, cohérente avec les usages actuels des pouvoirs radiatifs des gaz. Son application à deux cas d'étude de changements d'usage des sols démontre la nécessité de définir, pour la production de carburants végétaux, des critères d'efficacité d'usage des sols en plus de ceux relatifs aux économies de GES de la directive 2009/28/CE.

Green House Gas (GHG) emissions, the nearby Peak Oil and the increase of fossil fuel prices led France to implement a national program called Energy Economy Certificates, among other actions. This program imposes on the energy suppliers, of which EDF, to generate energy savings within their sites and within their clients. For Small and Medium-sized Industries (SMIs), the costs of thorough energy analyses might be out of their means. The goal of this thesis is to develop a methodology that limits the time and cost of the analysis, as well as the number and precision of the necessary data. Existing energy and exergy analysis methodologies were reviewed in detail, pointing out their advantages and disadvantages. A Process Energy and Exergy Analysis (PEEA) method has been developed. This method includes three steps, of which the first one, called Process Analysis (PA) is fundamental and constitutes an upstream work performed one time for every type of product. This step consists in determining the Minimal Required Energy (MRE) to transform a raw material into final product, after which the Best Transformation Process is determined. The PA was applied to several unitary industrial operations in order to demonstrate the generic and systematic factors of the method. Afterwards, the method was directly applied to the analysis of a cheese manufacturing industry. Results showed that this method is applicable for every level of energy auditing (either low or high cost energy audits), and that it allows for identification of energy efficient solutions, usually not identifiable by traditional energy analysis methods.; Les émissions de Gaz à Effet de Serre, la raréfaction prochaine des énergies fossiles et l'augmentation de leurs prix ont conduit la France à mettre en place, entre autres mesures, le plan des Certificats d'Economie d'Energie. Ce plan oblige les fournisseurs d'énergie, notamment EDF, à préparer des actions d'économies d'énergie chez leurs clients. Pour les petites et moyennes industries, les coûts d'analyses énergétiques poussées peuvent être hors de leurs moyens. Le but est donc de développer une méthodologie limitant le temps d'analyse ainsi que le type et la quantité des données nécessaires. Les méthodologies existantes ont été revues en détail, et des leçons essentielles ont été tirées sur leurs avantages et inconvénients. Une méthodologie a été développée, appelée Analyse Energétique et Exergétique des Procédés de transformation (AEEP). Cette méthode comprend trois étapes, dont la première, appelée Analyse Procédé (AP), est fondamentale et constitue un travail amont effectué une fois par type de produit. Cette étape consiste en la détermination de l'Energie Minimale Requise pour la transformation de la matière première en produit final, pour en tirer le Meilleur Procédé de Transformation. L'AP a été appliquée à plusieurs opérations industrielles unitaires, montrant ainsi la généricité et la systématicité de la méthode. Ensuite, une application directe de la méthodologie AEEP est effectuée sur une unité de fabrication de fromages. Les résultats ont montré que cette méthode est applicable à tous les niveaux d'audit (à faible et haut coûts). Elle permet aussi l'identification de solutions d'améliorations de la performance énergétique du système de production, non identifiables par les méthodes classiques.

Climate change and the decrease in energy resources lead to seek for new solutions in order to improve energy efficiency and reduce emissions of greenhouse gases. In France, heating of buildings constitutes 22% of final energy consumption and 7% of CO2 emissions. The renewal of the installed base of buildings is slow (in the range of 1% per year). Thus the fast decrease (in the range of fifteen years) in CO2 emissions depends on the number of technical solutions adapted to the refurbishing market. Within this context, a high-energy efficiency heat pump has been developed. However, to take up the challenge, such a heat pump has to comply with various refurbishing constraints, especially in terms of temperature distribution. Its technical performances have to be high, for low outdoor air temperature (large temperature difference between the cold source and the hot sink) as well as moderate outdoor air temperature (lower temperature difference between the cold source and the hot sink). To comply with those technical requirements, a two-stage system allowing an easy switch to single stage configuration has been selected. Then the various components of the system have been designed with a specific attention to the sensitivity of the different design parameters on the global energy efficiency of the heat pump. The modelling of the components has allowed simulating the operation of the heat pump and to compare the results to tests results obtained on a prototype. Based on these test results, a computational tool has been developed for the simulation of single houses and their heating system, leading to the calculation of the HSPF (heating seasonal performance factor), and the study of the system behaviour. In order to improve seasonal performances, the gain of variable capacity through speed variation has been evaluated using a prototype and calculations of HSPF, showing its interest.; Le changement climatique et la diminution des ressources énergiques amènent à chercher des solutions nouvelles afin d’améliorer l’efficacité énergétique et réduire les émissions des gaz à effet de serre. En France, le chauffage du bâtiment constitue 22% de la consommation d’énergie finale et 7% des émissions de CO2. Le parc de bâtiments se renouvelle très lentement (de l’ordre de 1% par an). Ainsi la diminution rapide (de l’ordre de quinze ans) du niveau d’émissions de CO2 repose sur un ensemble de solutions techniques adaptées au marché de la réhabilitation. C’est dans ce cadre que s’inscrit le développement d’une pompe à chaleur (PAC) à haute efficacité énergétique. Toutefois, afin de relever ce défi, elle doit répondre aux différentes contraintes de la réhabilitation, notamment en termes de température de distribution. Techniquement, elle doit pouvoir présenter des performances élevées, aussi bien à basse température d’air extérieur (quand l’écart entre la source froide et le puits chaud est grand) qu’à des températures d’air extérieur modérées (quand l’écart entre la source froide et le puits chaud devient plus faible). Pour répondre à ces exigences techniques, une solution bi-étagée permettant un passage simple en configuration mono-étagée a été retenue. Ayant choisi cette solution, un travail de dimensionnement sur les différents composants de la machine a été réalisé avec une attention particulière portée à la sensibilité des différents paramètres de dimensionnement sur la performance énergétique globale de la pompe à chaleur. Il a été également possible en modélisant les différents composants de simuler le fonctionnement de la pompe à chaleur et de comparer les résultats de cette simulation à des résultats d’essais obtenus sur un prototype. A partir de ces résultats d’essais, un outil permettant de modéliser des maisons individuelles et leur système de chauffage a été adapté, afin d’aboutir à un calcul de COP saisonnier et d’étudier le comportement du système. Enfin, afin d’améliorer les performances saisonnières, le gain de la puissance variable à travers la variation de vitesse a été évalué grâce à un prototype et des calculs de COP saisonniers, démontrant ainsi son intérêt.

Wastewater sludge management raises a serious challenge due to ever increasing environmental pollution and energy consumption. The aim of this work is to study the drying of wastewater sludge using solar energy combined with heat pumps and to investigate possible ways of providing supplemental energy to sludge drying when needed. A laboratory-scale drying test bench was set up to study the conductive drying of sludge and evaluate its drying characteristics. An analytical method was developed to evaluate water vapor diffusivity within urban sludge, modelled as coarse aggregated porous medium where only aggregates external porosity is accounted for. This method, which is based on the analytical solution of a fickian diffusive model, allows the evaluation of the impedance to which vapor diffusion is subjected throughout drying, as a function of the sludge dry solid content. Experiments highlighted the effect of mixing frequency on drying enhancement. Convective heat and mass transfers, occurring between air and sludge, were experimentally characterized. Experiments have shown the effect of increased surface air velocities on the enhancement of the drying mechanism. A correlation giving the deviation from the Lewis' predicted mass transfer coefficients was established as a function of the sludge dry solid content. The concept of blowing air by means of linear slits along the greenhouse width was proposed as a way of improving air distribution inside the greenhouse. A mathematical model has been developed to simulate this new drying system and evaluate its performances and energy consumptions. Weather data were incorporated in order to evaluate system seasonal performances. The system analysis focused on the influence of climatic conditions on heat pumps operating conditions and allowed the definition of an optimal regulation based on the minimisation of the marginal energy consumption. Furthermore, simulations showed improvement on the combined drying system performances with reduced sludge thickness.; La gestion des boues représente un véritable défi dû à sa consommation d'énergie et la pollution environnementale associée. L'objectif de ce mémoire est de concevoir et d'étudier un procédé de séchage de boues par énergie solaire et pompes à chaleur, et d'explorer les options techniques pour fournir l'appoint d'énergie aux boues. Un dispositif de séchage expérimental a été réalisé afin d'étudier le séchage conductif des boues et d'évaluer leurs caractéristiques. Une méthode analytique a été proposée pour évaluer la diffusivité de la vapeur d'eau dans les boues, modélisées en tant qu'ensemble d'agrégats poreux. Cette méthode, basée sur un modèle diffusif fickian, a permis de suivre l'évolution de facteur d'impédance de diffusion au cours d'un cycle de séchage. Les expériences ont souligné l'effet de la fréquence de retournements sur l'intensification du séchage. Les transferts de chaleur et de masse convectifs intervenant à l'interface de séchage air-boues ont été caractérisés expérimentalement. L'intensification de l'évaporation due à l'augmentation des vitesses d'air superficielles a été mise en évidence. Une corrélation a été établie pour rendre compte de l'écart entre les conductances latentes expérimentales et les conductances prévues par la théorie de Lewis, en fonction des siccités des boues. Le concept de soufflage d'air par fentes linéaires sur la largeur de la serre a été proposé comme moyen d'amélioration des conditions aérauliques dans une serre de séchage. A partir de ces développements, un modèle mathématique du procédé de séchage combiné a été établi afin d'évaluer ses performances et ses consommations énergétiques. Les données climatiques ont été intégrées afin d'évaluer les performances saisonnières du procédé et d'étudier l'influence des conditions climatiques sur les modes opératoires des pompes à chaleur. Les simulations ont permis de définir une logique de régulation optimale en termes de minimisation des consommations énergétiques marginales. En outre, le modèle a mis en évidence l'amélioration apportée par la réduction de l'épaisseur du lit de boues au cours d'un séchage combiné.

Heating and domestic hot water production represent more than 80% of the energy consumption of the residential sector in France. The rehabilitation is of great potential. The replacement of old boilers by air-to-water heat pumps constitutes one of the most effective solutions, which leads to a major reduction of greenhouse gas emissions. The constraints limiting the operation of usual heat pumps have been identified. A new concept of air-to-water versatile heat pump (single-stage / 2-stage) has been developed. The principal functions of this new concept are: heating and cooling, operation without additional electric heat supply, production of domestic hot water in summer and in winter, and capacity control by the compression architecture. The principal results obtained are: Compared to a usual heat pump, the new concept allows an energy saving up to 34.5 % and a reduction of the CO2 emissions up to 24 % depending on the climatic conditions and the hydronic heating distributor system; With the rise of gas and fuel prices, the new concept can compete on total cost conventional solutions for heating with efficient boilers. The CO2 emissions can be reduced by at least a factor 4 compared to fioul or gas-fired boilers. The seasonal COP can be further increased by a better optimisation of both the frosting/defrosting cycles and the combined production of heat and domestic hot water, as well as the replacement of the compressors by more efficient ones.; Le chauffage et la production d'eau chaude sanitaire (ECS) constituent plus de 80 % de la consommation énergétique du secteur résidentiel en France. Le parc de la réhabilitation présente un très grand potentiel. Le remplacement des chaudières anciennes par des pompes à chaleur air/eau constitue un des moyens les plus efficaces pour la réduction des émissions des gaz à effet de serre. Les contraintes limitant le fonctionnement des PAC usuelles ont été identifiées. Un nouveau concept de PAC air/eau versatile (mono-étagée / bi-étagée) a été développé. Les fonctions principales de ce nouveau concept sont : le chauffage et le rafraîchissement, le fonctionnement sans appoint électrique, la production d'ECS en été et en hiver et le contrôle de la puissance par modification de l'architecture de compression. Les principaux résultats obtenus sont : Comparé à une PAC usuelle, le nouveau concept a permis des économies d'énergie s'élevant à 34,5 % et une réduction des émissions de CO2 jusqu'à 24 % en fonction du climat extérieur et du type d'émetteur de chaleur installé. Avec la hausse des prix du gaz et du fioul, le nouveau concept peut concurrencer en coût total les solutions de chauffage traditionnelles avec des chaudières performantes. Les émissions de CO2 sont réduites d'au moins un facteur de 4 comparativement à une chaudière au fioul ou au gaz. Des voies d'améliorations concernant une meilleure optimisation des cycles de givrage et dégivrage et de la production d'ECS en mode combiné avec le chauffage ainsi que le remplacement des compresseurs par d'autres plus performants sont possibles afin d'augmenter encore le COP saisonnier.