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Doctorat

2024

Conception et réalisation de rectenna en impression additive dédiée à l'optimisation énergétique d'objets connectés
Tristan Fougeroux, inscrit en Avril 2021
Allocation Régionale de Recherche
Les techniques de transfert et de récupération d'énergie par radiofréquence sont récemment devenues des méthodes alternatives pour alimenter les réseaux sans fil de prochaine génération. L'évolution mondiale vers la densification des points d'accès sans fil (AP) a fait allusion à la possibilité de collecter l'énergie RF ambiante inutilisée. Ces sources d'énergie inexploitées se développent de plus en plus en raison de la croissance rapide de l'activité des communications sans fil. La plupart de ces émissions sont omnidirectionnelles et permanentes dans le temps. La disponibilité de cette énergie rayonnante peut devenir intéressante pour certaines applications de faible consommation. La récupération de cette énergie peut représenter une alternative énergétique capable de remplacer, totalement ou en partie, la batterie de certains micro systèmes notamment dans le domaine des capteurs auto alimentés (WSN : Wireless Sensor Network) : c'est le concept de batterie virtuelle. Cette thèse porte sur l'étude et l'optimisation d'un système de récupération d'énergie électromagnétique appelé « Rectenna » (RECTifier-anTENNA). L'objectif est de concevoir, optimiser, réaliser et caractériser expérimentalement des circuits rectenna innovants, compacts et performants grâce à la réalisation par impression 3D à base de filament conducteur. Cette technique permet une plus grande souplesse de conception avec la réalisation de forme géométrique complexe, permettant la modification de la propagation de l'onde dans un matériau, afin d'accroître les performances du circuit. Ce circuit doit permettre la collecte de l'énergie RF ambiante inutilisée, en particulier dans la bande industrielle, scientifique et médicale, afin d'alimenter à distance des appareils électroniques utiles, appelés plus communément l'Internet des objets à faible énergie (LEIoT).
Etude et conception d'un réseau de capteurs enfouis, ambiants et téléalimentés par récupération d'énergie électromagnétique
Julie Sibille, inscrite en Septembre 2021
Co-directeur de thèse : Pierre Olivier Lucas de Peslouan, EnergyLab, Université de La Réunion
Allocation Régionale de Recherche
Dans le contexte particulier du milieu tropical humide, l’évolution des grandeurs physiques, température et hygrométrie, caractérisent les états de confort thermique qu'il convient de contrôler. Par rapport aux capteurs usuellement disposés en surface, nous voulons apporter une solution originale et sans fil en utilisant des capteurs enfouis, mettant ainsi en évidence l’inertie thermique de différents types de parois dans les bâtiments. Les solutions actuelles permettent d’obtenir des mesures ponctuelles et utilisent principalement des piles qu'il faut recharger et recycler, dans notre cas, nous proposerons une alimentation sans fil permanente, utilisant la récupération d’ondes électromagnétiques qui permettrait d’offrir une alternative économique et surtout durable. Cette alimentation sans fil sera possible en optimisant les tailles d’antennes de récupération d'énergie, la consommation des noeuds et en trouvant les fréquences et la modulation les plus adaptées pour la transmission dans les différents matériaux. D’autre part, le déploiement des méthodes de réveil à distance, l’optimisation des topologies et des protocoles de communication de ces objets connectés seront conçus pour être compatibles aux réseaux IP permettant une intégration dans le réseau d’informations des bâtiments. L’objectif de cette thèse sera de résoudre l’équation suivante : Comment obtenir et fournir les besoins énergétiques d’un réseau de capteurs dont la brique élémentaire, le nœud du réseau, serait enfoui dans un milieu non-accessible ?
Développement d'un micro réseau à courant continu avec production d'énergie et stockage hybride pour l'autonomie énergétique des bâtiments
Olivia Bory Devisme, inscrite en Septembre 2021
Bourse CIFRE
Actuellement, l'ile de La Réunion est dépendante à 68% des énergies fossiles pour produire de l'électricité sur son territoire. Par ailleurs, l'essor de la production et du stockage de l'énergie solaire, implique de nombreuses conversions d'énergie : conversion du courant continu vers le courant alterantif puis de nouveau en courant continu pour certains équipements (leds, équipements bureautiques, batteries). Ces conversions multiples entrainent des pertes d'énergie importantes et des difficultés d'intégration avec le réseau électrique actuel. Le secteur des bâtiments tertiaires et résidentiels étant le plus grand consommateur d'énergie, l'objectif de ces travaux de recherche est dans un premier temps d'optimiser l'utilisation des énergies renouvelables en développant de nouvelles architectures électriques alliant courant continu et courant alternatif. Ceci dans le but de créer un micro-réseau pouvant assurer la production, le stockage et le pilotage de l'énergie pour des bâtiments autonomes en énergie. Les principales contraintes scientifiques et industrielles concernent la sécurité de fonctionnement de l'EMS (Energy Management System), un dimensionnement optimal des architectures, l'évolution des normes actuelles sur le courant continu et la prédiction de production et de consommation d'énergie d'un bâtiment par un MPC (Model Predictive Control).

2008

Méthodologie de synthèse et d'optimisation de radiopile bornée à un domaine de fonctionnement
soutenue le 24 Avril 2008 par Alexandre Douyere
Les travaux présentés dans ce mémoire s'inscrivent dans la thématique du Transport d'Énergie Sans Fil (TESF). Cette étude a pour objectif l'optimisation de la partie réception du système de TESF où s'opère le redressement de l'énergie micro-onde en énergie continue. Ce processus complexe de nature non-linéaire est délicat à appréhender aussi bien en théorie qu'en pratique. Ainsi, une optimisation ne sera concevable que si l'on maîtrise d'un point de vue conceptuel, expérimental et technologique, la mise en œuvre d'une radiopile. Ceci a motivé la démarche de mise en place d'une méthodologie de synthèse de radiopile bornée à un domaine de fonctionnement. La démarche choisie consiste, partant de données expérimentales, à établir une modélisation simple et précise des différents éléments constituant la radiopile afin d'optimiser efficacement le système complet à l'aide d'un environnement de simulation unique.

2010

Etude d'algorithmes de commande à base d'observateurs pour optimiser les performances d'un procédé de cristallisation : simulations et essais sur pilote
soutenue le 28 Août 2010 par Cédric Damour
En dépit d'une longue histoire et du vaste champ d'applications du procédé de cristallisation, l'amélioration de son contrôle demeure, aujourd'hui encore, un champ de recherche ouvert. L'objectif de cette étude est l'optimisation de la conduite du procédé de cristallisation dans l'industrie sucrière. A cet effet, trois stratégies de commande à base d'observateurs sont proposées. Ce mémoire s'articule autour de cinq chapitres : le premier propose un état de l'art du contrôle du procédé de cristallisation. Dans le deuxième chapitre, l'observation et l'analyse de la conduite du procédé de cristallisation industriel nous conduisent à proposer des stratégies de commande alternatives, à la fois en termes de régulateur et de variables de commande et à commander. Certaines grandeurs n'étant pas mesurées en ligne, le chapitre trois est dédié à la synthèse de trois observateurs, correspondant aux trois configurations parmi les plus répandues en sucrerie. Le chapitre quatre présente les résultats obtenus, en simulation et sur un réacteur pilote (échelle 1/1000ème), avec deux stratégies de commande monovariables. Dans le cinquième chapitre, les performances en asservissement et en régulation d'une stratégie de commande multivariable sont étudiées en simulation. L'ensemble des résultats obtenus dans cette étude met en lumière une amélioration significative de la supervision et du contrôle du procédé de cristallisation dans l'industrie sucrière.
Rectenna compacte pour la récupération d'énergie électromagnétique à faible niveau de puissance
soutenue le 07 Septembre 2010 par Samuel Rivière
Ces travaux de recherche présentent la synthèse d'une rectenna compacte synthétisée à 2.45 GHz, pour de faible niveau de puissance. La rectenna proposée se destine à collecter l'énergie RF ambiante pour l'utiliser comme source d'énergie électrique. Le processus de redressement de l'onde RF en une grandeur électrique continue est de nature non linéaire. La méthodologie mise en place pour rendre compacte la rectenna est centrée autour de l'intégration d'une fonction de filtrage dans l'antenne. Cette intégration est réalisée par l'emploi d'une antenne patch dont la topologie de l'élément rayonnant est un disque. Par ailleurs, cette compacité permet l'amélioration du rendement en conversion RF/DC de la rectenna à faible niveau de puissance. Le découplage entre l'antenne et le redresseur par une fente dans le plan de masse apporte une réponse supplémentaire à la problématique de compacité de la rectenna. A l'issue de cette méthodologie, la rectenna synthétisée réalise en simulation la conversion RF/DC avec un rendement optimal de 48% à 100μW sur une charge de 10 kΩ. La réalisation expérimentale conduit à un rendement mesuré de 34%. Enfin, nous proposons des pistes méthodologiques et des techniques supplémentaires pour l'amélioration du rendement, ainsi que la réduction de taille de la rectenna.

2014

Optimisation énergétique des protocoles de communication des réseaux de capteurs sans fil
soutenue le 03 Décembre 2014 par Rivo Randriatsiferana
Pour augmenter la durée de vie des réseaux de capteurs sans fil, une solution est d'améliorer l'efficacité énergétique des protocoles de communication. Le regroupement des nœuds du réseau de capteurs sans fil en cluster est l'une des meilleures méthodes. Cette thèse présente propose plusieurs améliorations en modifiant les paramètres du protocole de référence LEACH. Pour améliorer la distribution énergétique des "cluster-heads", nous proposons deux protocoles de clustering centralisés k-LEACH et sa version optimisée k-LEACH-VAR. Un algorithme distribué, appelé e-LEACH, est également proposé pour réduire l'échange d'information périodique entre les nœuds et la station de base lors de l'élection des "cluster-heads". Par ailleurs, le concept l'équilibrage énergétique est introduit dans les métriques d'élection pour éviter les surcharges des nœuds. Ensuite, nous présentons une version décentralisée de k-LEACH qui, en plus des objectifs précédents, intègre la consommation d'énergie globale du réseau. Ce protocole, appelé, k-LEACH-C2D, vise également à favoriser la scalabilité du réseau. Pour renforcer ce dernier et l'autonomie des réseaux, les deux protocoles de routage "multi-hop" probabiliste, dénotés FRSM et CB-RSM construisent des chemins élémentaires entre les "cluster-heads" et la station de base. Le protocole CB-RSM forme une hiérarchie des "cluster-heads" pendant la phase de formation des clusters, en mettant un accent sur l'auto-ordonnancement et l'auto-organisation entre les "cluster-heads" pour rendre les réseaux le plus "scalable". Ces différents protocoles reposent sur l'idée de base que les nœuds ayant l'énergie résiduelle la plus élevée et la plus faible variance de consommation de l'énergie deviennent "cluster-head". Nous constantans le rôle central de la consommation du nœud dans nos différentes propositions. Ce point fera l'objet de la dernière partie de cette thèse. Nous proposons une méthodologie pour caractériser expérimentalement la consommation d'un nœud. Les objectifs visent à mieux appréhender la consommation pour différentes séquences d'état du nœud. Enfin, nous proposons un modèle global de la consommation du nœud.

2015

Etude et réalisation de circuits intégrés d'alimentation et de conditionnement d'énergie pour les réseaux de capteurs sans fil
soutenue le 10 Avril 2015 par Rahma Aloulou
L’objectif de cette thèse est de contribuer au développement de la « partie réception » du projet (au niveau des nœuds de réseau), qui consiste à convertir l’énergie ambiante collectée en énergie continue. Il s’agit de concevoir un système original capable de gérer l'énergie continue recueillie de diverses sources environnementales (sachant qu’en terme de faisabilité et historiquement, le transport d’énergie sans fil a été testé comme source). Le système devrait être capable de gérer plusieurs sources en parallèle dont par exemple des sources AC (vibrations). Ce système est un dispositif intégré en technologie CMOS Si ou SOI.Le défi et l'originalité résident dans les faibles puissances générées (quelques dizaines de micro-Watts) et donc les très faibles puissances pouvant être consommées par le circuit de gestion d'énergie pour viser un très haut rendement. Le but étant comme nous l’avons mentionné d’alimenter des circuits en aval. La maîtrise de la technologie intégrée s’avère donc incontournable pour relever ce défi.En effet, bien que ce concept ait été largement utilisé en macro-échelles comme dans les systèmes solaires ou dans les générateurs hydrauliques, la conception d’un système de récupération d’énergie à micro-échelles pour des dispositifs électroniques miniaturisés présente un vrai challenge. La première contrainte dans ces microsystèmes est l’utilisation de transducteurs d’énergie produisant des tensions DC inférieures à 1V pouvant aussi varier suivant les conditions environnementales (puissance RF, distance,…). A titre d’exemple, les cellules photovoltaïques, les générateurs thermo-électriques ou les dispositifs de transfert d’énergie RF produisent généralement des tensions dans la gamme de 0.2-0.6V. Un convertisseur DC-DC est donc nécessaire pour élever les tensions récupérées à des niveaux permettant le chargement d’une batterie qui servira à l’alimentation d’un dispositif quelconque en aval. Dans ce cadre, il est proposé d’étudier la contribution des circuits de type pompe charge (CP : charge pump) qui peuvent être placés en aval d’un transducteur. Cette étude mènera à la proposition d’une solution permettant d’accumuler le maximum d’énergie et obtenir un rendement de conversion compétitif par rapport à structures de la littérature.D’un point de vu scientifique les points clés se situent : Sur le nombre d’étages de ces pompes charges La topologie des interrupteurs de transfert de charges Le dimensionnement des capacités de transfert de charges L’étude des pertes du pompe charge et le passage nécessaire à la technologie SOILes impédances d’entrée et de sortie de ces structures pour avoir le meilleur rendement de transfert d’énergie.Le dimensionnement de la structure par rapport à une quantité d’énergie continue.
Modélisation de système synthétique pour la production de biohydrogène
soutenue le 28 Septembre 2015 par Nicolas Fontaine
L'épuisement annoncé dans les prochaines décennies des ressources fossiles qui fournissent actuellement plus de 70% du carburant consommé dans les transports terrestres, aériens et maritimes au niveau mondial, incite à l'identification et le développement de nouvelles sources d'énergies renouvelables. La production de biocarburants issue de l'exploitation de la biomasse représente une des voies de recherche les plus prometteuses. Si la première génération des biocarburants (production à partir de plantes sucrières, de céréales ou d'oléagineux) atteint ses limites (concurrence avec les usages alimentaires, en particulier), la deuxième génération, produite à partir de ressources carbonées non alimentaires (lignocellulosique, mélasse, vinasse...), pourrait prendre le relais, une fois que les procédés de conversion seront suffisamment maîtrisés. À plus long terme, une troisième génération pourrait voir le jour, qui reposerait sur l'exploitation de la biomasse marine (microalgues, en particulier) mais où de nombreux verrous restent toutefois à lever : optimisation des procédés de culture et de récolte, extraction à coût réduit, optimisation des voies métaboliques etc. Il est à retenir que la stratégie nationale de recherche et d'innovation (SNRI) a retenu quatre « domaines clés » pour l'énergie : le nucléaire, le solaire photovoltaïque, les biocarburants de deuxième génération et les énergies marines. Ceux-ci sont complétés, au nom de leur contribution potentielle à la lutte contre le changement climatique, par le stockage du CO2, la conversion de l'énergie (dont les piles à combustible) et l'hydrogène. Le présent projet de recherche s'intéresse à explorer des voies d'amélioration de l'efficacité de la biotransformation de matière organique non alimentaire de nature industrielle en biocarburants de deuxième génération. En particulier, on s'intéressera à deux aspects complémentaires : l'optimisation des organismes microbiens et des voies métaboliques pour l'amélioration du rendement biologique de fabrication de biocarburants ; l'optimisation des procédés de mise en culture des microorganismes et d'extraction des biocarburant. Le projet de thèse consiste à mettre en œuvre les biotechnologies blanches, la biologie de synthèse et le génie des procédés pour la caractérisation de souches bactériennes, de leurs voies métaboliques et de prototypes expérimentaux pour la fabrication de biocarburants, de méthane et d'hydrogène à partir de rejets provenant de l'industrie sucrière de La Réunion, à savoir la mélasse ou la vinasse. Ce projet permettrait d'envisager de nouvelles perspectives de valorisation pour ces déchets industriels et de participer à la construction, à terme, d'une industrie réunionnaise durable des biocarburants et de l'hydrogène.
Contrôle Tolérant aux Fautes en ligne d'une Pile à Combustible de type PEM. Contribution à la gestion de l'eau
soutenue le 04 Décembre 2015 par Carole Lebreton
Le développement des Piles à Combustible (PàC) est en plein essor dans le contexte de transition énergétique mondial. La production d'énergie électrique par les PàCs possède l'atout majeur de ne rejeter que de l'eau et de la chaleur, sans émission de gaz à effet de serre. Pour un développement et une commercialisation plus large des PàCs comme générateurs d'énergie, leur fiabilité et leur durée de vie. Cette thèse est dédiée au Contrôle Tolérant aux Fautes appliquée à la gestion de l'eau dans les Piles à Combustibles de type PEM. Une gestion appropriée de l'état d'hydratation de la PEMFC contribue à éviter les dégradations irréversibles de ses composants et ses performances, et par conséquent à un allongement de sa durée de vie et une augmentation de sa fiabilité. La stratégie de Contrôle Tolérant aux Fautes Actif proposée est constituée d'une méthode de diagnostic basée modèle pour la détection et l'isolation des fautes et d'un contrôleur PID auto-adaptatif régulant la surstoechiométrie en oxygène. Il est à noter que cette stratégie a été validée en ligne sur un système PàC réel.
Variabilité temporelle et spatiale du rayonnement solaire à la surface sur le sud-ouest de l'océan Indien (SOOI) et à l'île de La Réunion : modélisation du climat régional.
soutenue le 08 Décembre 2015 par Peng Li
Ce travail documente la variabilité spatiale et temporelle du rayonnement solaire à la surface sur le sud-ouest de l'océan Indien (SOOI) et l'île de La Réunion à l'aide de deux modèles régionaux de climat (MRC) : les modèles RegCM et WRF. La première partie de ce travail est dédiée à l'analyse de la variabilité temporelle du rayonnement solaire à l'aide du modèle RegCM sur le SOOI avec une résolution spatiale modérée (50km). S'agissant du premier travail sur la modélisation régionale du climat pour l'étude du rayonnement solaire dans le SOOI, une première série de tests pour illustrer les performances du modèle et sa sensibilité au choix des paramétrisations physiques (transfert radiatif, convection), à la taille du modèle, et à la résolution spatiale, est effectuée. Le schéma radiatif par défaut, le schéma CCM, et le schéma convectif mixte : Grell sur les terres et Emanuel sur les océans, donnent les résultats les plus satisfaisants pour la région, comparés aux autres options disponibles. La variabilité climatique interannuelle, intrasaisonnière et jour-à-jour est ensuite examinée sur la base des indices climatiques. Dans un premier temps, plusieurs paramètres (vent horizontal, température, humidité relative) issus des réanalyses ERA-Interim et utilisés comme paramètres d'entrée pour le modèle RegCM, sont analysés en lien avec ceux correspondant fournis en sortie du modèle, pour vérifier l'aptitude du modèle à maintenir les signaux ENSO (El-Nino Southern Oscillation), IOD (Indian Ocean Dipole), MJO (Madden-Julian Oscillation) et les Talwegs Tropicaux-Tempérés (TTT). Dans un second temps, le rayonnement solaire à la surface simulé par le modèle RegCM est mis en lien avec ces différents modes de variabilité. La seconde partie du travail est consacrée à l'analyse de la variabilité spatiale du rayonnement solaire à la surface à La Réunion à l'aide du modèle WRF à très haute résolution spatiale (750m) pour différentes échelles de temps : interannuelle, intrasaisonnière, jour-à-jour. Une classification est appliquée sur les sorties de rayonnement produites par WRF, et le lien avec la circulation atmosphérique de grande échelle est analysé dans chacune des classes. Les résultats de la modélisation sont validés à l'aide des données d'observations du réseau Météo France et des produits satellite CM SAF. Les résultats indiquent que les MRC ont la capacité de représenter la variabilité temporelle et spatiale du rayonnement solaire à La Réunion.
Modélisation et simulation d'une pile à combustible réversible
soutenue le 06 Juillet 2015 par Chuian Chorng Tan
Les travaux précédents trouvés dans la littérature ont mis l'importance sur la pile à combustible PEM ou électrolyseur PEM. Certains articles ont étudié également la pile à combustible réversible et le système d'alimentation en hydrogène par énergie solaire en intégrant à la fois la pile à combustible et électrolyseur. Contrairement à un « Unitised regenerative fuel cell (URFC)», notre conception a un compartiment individuel pour chaque système de PEM-Fuel Cell et d'electrolyseur-PEM et nommé Quasi - URFC. Grâce à ce nouveau concept, l'objectif principal est de réduire le coût de la pile à combustible régénératrice (RFC) en minimisant le rapport de surface superficielle géométrique du catalyseur de l'assemblage membrane électrodes (AME) des deux modes dans la cellule. D'ailleurs, nous visons également à construire un RFC plus compact, léger et portable par rapport à une pile à combustible ou l'électrolyseur classique. Ce travail de recherche est divisé en trois parties : la modélisation et simulation numérique, l'assemblage du prototype et le travail d'expérimentation. Quant à la partie de modélisation, un modèle physique multi-2D a été développé dans le but d'analyser les performances d'une pile à combustible à régénérée à trois-compartiments, qui se compose d'une piles à combustible et d'électrolyseur. Ce modèle numérique est basée sur la résolution des équations de conservation de masse, du momentum, des espèces et du courant électrique en utilisant une approche par éléments finis sur des grilles 2D . Les simulations permettent le calcul de la vitesse, de la concentration de gaz, la densité de courant et les distributions de potentiels en mode pile à combustible et en mode d'électrolyse, ainsi nous aider à prédire le comportement de quasi - RFC. En outre, l'assemblage du premier prototype du nouveau concept de pile à combustible à combustible régénérée a été achevée et testée au cours des trois années d'études dans le cadre d'une thèse. Les résultats expérimentaux de la 3 Compartiments R-PEMFC ont été prometteurs dans les deux modes, soit en mode piles à combustible et soit en mode d'électrolyseur. Ces résultats valideront ensuite les résultats de la simulation, obtenus auparavant par la modélisation.

2016

Techniques d'échantillonnage spatio-temporelles pour la conservation de l'énergie dans les réseaux de capteurs sans fil
soutenue le 07 Octobre 2016 par Somaseckar Kandukuri
La technologie des réseaux de capteurs sans fil démontre qu'elle peut être très utile dans de nombreuses applications. Ainsi chaque jour voit émerger de nouvelles réalisations dans la surveillance de notre environnement comme la détection des feux de forêt, l'approvisionnement en eau. Les champs d'applications couvrent aussi des domaines émergents et sensibles pour la population avec les soins aux personnes âgées ou les patients récemment opérés dans le cadre. L'indépendance des architectures RCSFs par rapport aux infrastructures existantes permet aux d'être déployées dans presque tous les sites afin de fournir des informations temporelles et spatiales. Dans les déploiements opérationnels le bon fonctionnement de l'architecture des réseaux de capteurs sans fil ne peut être garanti que si certains défis sont surmontés. La minisation de l'énergie consommée en fait partie. La limitation de la durée de vie des nœuds de capteurs est fortement couplée à l'autonomie de la batterie et donc à l'optimisation énergétique des nœuds du réseau. Nous présenterons plusieurs propositions à ces problèmes dans le cadre de cette thèse. En résumé, les contributions qui ont été présentées dans cette thèse, abordent la durée de vie globale du réseau, l'exploitation des messages de données redondantes et corrélées et enfin le fonctionnement nœud lui-même. Les travaux ont conduit à la réalisation d'algorithmes de routage hiérarchiques et de filtrage permettant la suppression des redondances. Ils s'appuient sur les corrélations spatio-temporelles des données mesurées. Enfin, une implémentation de ce réseau de capteurs multi-sauts intégrant ces nouvelles fonctionnalités est proposée
Conception et réalisation de rectenna en technologie guide d'onde coplanaire pour de faibles niveaux de puissance.
soutenue le 19 Septembre 2016 par Jérôme Rivière
Le sujet de thèse abordé dans ce mémoire s'inscrit dans la thématique du LE²P sur l'autonomie énergétique des réseaux de capteurs. Ce travail est axé sur la partie réception et redressement du transfert de l'énergie sans fil pour l'apport d'énergie à des capteurs nomades. Ce procédé n'est pas nouveau et prend son origine dans les années 1950. Les connaissances dans l'appréhension de ce processus sont nombreuses pour certains guides d'onde tels que le microruban. Mais la nécessité de perçages dans ces structures de guide d'onde peut être contraignante et causer des disparités dans une chaîne de construction. Ceci a motivé les travaux présentés dans ce mémoire qui utilise une technologie de guide d'onde coplanaire (CPW) peu exploitée. Ainsi, la conception d'un tel dispositif passe par la maîtrise d'un point de vue conceptuel et expérimental de cette technologie. La démarche consiste à utiliser ce guide d'onde coplanaire en minimisant les effets négatifs que peut engendrer ce dernier, pour s'abroger du besoin de perçage et faciliter la réalisation des dispositifs de redressement en limitant le nombre d'interactions humaines.

2017

Systèmes et protocoles de télé-réveil appliqués à l'optimisation énergétique des réseaux de capteurs sans fil.
soutenue le 05 Avril 2017 par Jean Mickaël Lebreton
De nos jours, une forte croissance des objets connectés est constatée, dépassant même la population mondiale. Devant l'ampleur de ce phénoméne, l'efficacité énergétique des objets communicants est une sérieuse problématique. La maximisation de leur durée de vie est requise pour assurer une qualité de service. Dans cette optique, les travaux de cette thèse visent à optimiser la consommation énergétique des communications sans fil dans un réseau de capteurs. Le télé-réveil, un concept imaginé depuis une dizaine d'années, consiste au déclenchement du réveil du noeud communicant par un signal radio à distance. Par défaut, le noeud reste en mode veille de façon permanente à très basse consommation. Au besoin, il peut être réveillé à la demande par un signal radio spécifique. Ainsi, la consommation énergétique du module radio est grandement réduite par l'écoute passive du canal en mode veille. Ce principe de télé-réveil nécessite toutefois le développement de nouvelles architectures matérielles associées à des protocoles de communication adaptés et innovants. Malgré les propositions récentes, le niveau de maturité technologique n'a pas encore été atteint sur ce sujet. Par conséquent, un système de télé-réveil est proposé dans cette thèse, en incluant une caractérisation théorique de ses performances. Le récepteur de télé-réveil consomme 363 nW en mode veille contre 49,8 µW en mode de réception. De plus, deux nouveaux protocoles de télé-réveil DoRa et DC-DoRa sont proposés avec une évaluation de leurs performances par simulation. Les résultats obtenus montrent que ces protocoles de télé-réveil diminuent fortement l'énergie consommée par le module radio, en comparaison des protocoles MAC actuellement utilisés dans les réseaux de capteur. Enfin, la mise en œuvre expérimentale du système et des protocoles de télé-réveil a permis de mesurer les performances réelles de notre approche dans un environnement de surécoute et d'interférence.
Modélisation régionale du climat et estimations des changements climatiques possibles du rayonnement en surface dans le sud-ouest de l'océan Indien.
soutenue le 01 Décembre 2017 par Chao Tang
Les variations du rayonnement solaire en surface (SSR) peuvent avoir un impact significatif sur divers aspects du système climatique, et notamment sur le développement socio-économique d’un pays. Pour identifier les impacts possibles du changement climatique sur le rayonnement solaire en surface à l'échelle régionale (~ 50 km) en Afrique australe jusqu'à la fin du 21ème siècle, on a analysé les données mensuelles produites dans le cadre du projet CORDEX-Afrique sur la période 1979-2099. Ces données sont issues des sorties de 5 modèles régionaux de climat (RCM) forcés par 10 modèles globaux de climat (GCM) CMIP5, pour deux scénarios d’émissions, RCP4.5 et RCP8.5, en Afrique australe (SA) et sur une partie du SWIO (0-40°S ; 0- 60°E). Pour contribuer au projet futur proposé qui vise à approfondir l'étude des changements de SSR à l'échelle locale (~ 1 km de résolution horizontale) à l'île de la Réunion et à l'île Maurice, situées dans le Sud-ouest de l'océan Indien (SWIO), près du bord d’Est du domaine CORDEX-Afrique, des simulations climatiques ont été réalisées sur trois fenêtres temporelles de 10 ans : a) le passé 1996-2005 ; et b) le futur 2046-2055 et 2090-2099, en utilisant la version 4 du RCM RegCM (RegCM4), forcé par : 1) les réanalyses climatiques ERA-Interim (ERAINT) du centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme (ECMWF) pour simuler un passé récent seulement ; et 2) deux GCMs (HadGEM2-ES et GFDL-ESM2M) de l’exercice CMIP5 de simulations du climat passé et futur pour le scénario d’émissions RCP8.5 à l’échelle régionale de 50km en Afrique australe et dans le sud-ouest de l’océan Indien (0-40°S ; 0- 100°E). L’analyse de l’impact du changement climatique sur le SSR sur la base de ces simulations reste cependant limitée, à cause de leur couverture temporelle (3 périodes de 10 ans) et du nombre de modèles (2 GCMs, 1 RCM) et de scénarios (1 RCP) utilisés. Il ressort de l’analyse des simulations de l’ensemble CORDEX-Afrique que : 1) sur la période passée récente, les GCMs forceurs surestiment généralement SSR d'environ 1 W/m2 en été austral (DJF : Décembre-Janvier-Février), et de 7,5 W/m2 en hiver austral (JJA : Juin-Juillet-Août), tandis que les RCMs, forcés par ces GCMs, sous-estiment SSR d'environ -32 W/m2 et de -14 W/m2 en été et en hiver, respectivement. 2) Les projections multi-modèles de changement de SSR simulées par les RCMs et leurs GCMs forceurs sont assez cohérentes. Les GCMs prévoient, en moyenne multi-modèles, une augmentation statistiquement significative de SSR d'environ 8 W/m2 en 2099 selon le scénario RCP4.5 et de 12 W/m2 en 2099 selon le scénario RCP8.5 sur le Centre de l’Afrique australe (SA-C), et une diminution de SSR, avec un degré de confiance élevé, d'environ -5 W/m2 en 2099 selon le scénario RCP4.5 et de -10 W/m2 en 2099 selon le scénario RCP8.5, pendant la saison DJF, en Afrique équatoriale (EA-E). Dans ces deux régions, les RCMs produisent, en moyenne multi-modèles, des tendances similaires (avec un degré de confiance élevé) à celles des GCMs, mais sur des zones d’extension spatiale plus faible que celle des GCMs. Cependant, pour la saison JJA, une augmentation de SSR, d'amplitude similaire dans les simulations GCMs et RCMs (~5 W/m2 en 2099 selon le scénario RCP4.5 et 10 W/m2 selon le scénario RCP8.5), est attendue dans la région EA-E. 3). Une diminution significative de la nébulosité (environ -6% en 2099) est attendue sur le continent sud-africain pour les GCMs comme pour les RCMs. 4) Le scénario RCP8.5 produit des changements d’amplitude supérieure de 2.5W/m2 pour les GCMs forceurs et de 5W/m2 pour les RCMs en 2099 à celle pour le scénario RCP4.5. 5). Comme pour les sorties du modèle RegCM4, les structures des biais ou des changements de SSR issu des RCMs du programme CORDEX-Afrique sont globalement corrélées avec celles de couverture nuageuse totale des RCMs. L’analyse des sorties du modèle RegCM4 indique que: 1) le modèle, forcé par les réanalyses ERAINT et les deux simulations CMIP5, simule assez bien la climatologie saisonnière pour l’actuel et le passé proche (température de l'air en surface, précipitations et SSR), mais présente un biais négatif sur la couverture nuageuse (environ -20% en pourcentage absolu). 2) La variabilité interne des moyennes annuelles de SSR simulées par RegCM4 (environ 0.2 W/m2) est d'un ordre de grandeur inférieur au biais du modèle. 3) Le modèle simule des changements de SSR, pour le scénario RCP8.5, opposés à ceux des GCMs forceurs. 4) Le potentiel électrique, calculé à partir des simulations RegCM4 en utilisant une estimation du premier ordre, indique une variation inférieure à 2% par rapport au niveau actuel, à l’horizon 2099

2018

Protocoles de communication basées sur la récupération d'energie RadioFréquence/PhotoVoltaïque pour les réseaux de capteurs sans fil
soutenue le 27 Août 2018 par Chrystelle Antilahy
Les réseaux de capteurs sans fil qui conviennent pour vaste domaine d’applications, constituent une solution prometteuse qui répond à toute exigence de surveillance continue. L’autonomie énergétique des nœuds constitue un facteur de vulnérabilité qui influe directement leur longévité et la capacité du réseau à assurer longuement la couverture d’une zone géographique d’intérêt. La gestion de consommation énergétique représente la seule approche pour accroître la durée de vie de ces réseaux et leur conférer une autonomie raisonnable. Des solutions logicielles proposées à travers les protocoles MAC, apportent des améliorations significatives à la minimisation de la dépense énergétique des nœuds. Elles permettent de réduire les périodes d’écoute du canal qui, représente l’opération la plus coûteuse en termes d’énergie dans le fonctionnement des nœuds de capteurs sans fil. Néanmoins, se limiter à ces solutions n’est pas suffisant pour garantir une longévité acceptable. La seule méthode pour optimiser la conservation d’énergie dans les RCSFs est de mettre chaque nœud constamment en mode faible puissance et d’utiliser un mécanisme de télé-réveil à travers des signaux de réveil. Cela implique, l’utilisation de circuits de réveil de faible consommation qui assurent la surveillance de canal et qui déclenchent le réveil des nœuds uniquement à chaque fois qu’événement d’intérêt se produit. Dans ce contexte, une quantité importante de travaux ont proposés l’utilisation d’un mécanisme d’adressage (adresses MAC ou d’autres informations binaires), pour permettre aux nœuds non concernés de retourner rapidement dans son état de sommeil. Cette démarche est intéressante, mais implique toutefois une dépense énergétique non négligeable, liée à la réception et au traitement des informations d’adresse au niveau de tous les nœuds. La solution la plus efficace énergétiquement serait l’utilisation d’une autre forme d’adresse. Cette thèse s’inscrit dans le contexte de minimisation de la consommation énergétique des RCSFs par la mise en œuvre d’un adressage qui permet aux nœuds de recevoir et de traiter les signaux de réveil, sans allumer leur module de communication principal. Il s’agit pour nous de supprimer la dépense énergétique liée à l’allumage du module RF et à la réception de paquets d’adresse, en se tournant vers l’exploitation de la durée des signaux de réveils. Notre solution se repose sur les caractéristiques matérielles du microcontrôleur (IRQ, Timer/Counter) des nœuds de capteurs. Elle permet de réduire les complexités liées aux conditionnements des signaux de réveils. Notre solution est implémentée sur un réseau de petite taille. Elle est évaluée expérimentalement et ses performances énergétiques sont comparées à celles d’un schéma classique de télé-réveil sans mécanisme d’adressage et à celles d’un schéma classique basé sur le duty-cycling.
Contribution à l'étude de l'influence des régimes bi-phasiques sur les performances des électrolyseurs de type PEM basse pression : approche numérique, analytique et expérimentale
soutenue le 27 Avril 2018 par Farid Aubras
Les électrolyseurs à membrane échangeuse de protons basse pression (E-PEMs) apparaissent comme une solution efficace et durable pour la production d’hydrogène. Cette technologie pourrait permettre de pallier l’intermittence des énergies renouvelables (notamment solaire et éolien) en convertissant l’énergie électrique produite en énergie chimique (hydrogène). Durant ces travaux de thèse, trois aspects ont été développés : une approche analytique, une approche numérique, ainsi que approche expérimentale. Ces trois approches ont permis de comprendre l’influence du mélange bi-phasique eau/oxygène à l’anode du système sur les performances électrochimiques des E-PEMS ainsi que déterminer les paramètres opérationnels et intrinsèques qui impactent les performances des E-PEMs. À propos de l'approche expérimentale, des mesures d'impédance électrochimique ainsi que des courbes de polarisation ont été réalisées sur deux différentes cellules d'électrolyseurs de type PEM basse pression (la cellule ITW power de l'Electrochimical innovation Lab (UCL) et la cellule réversible Q-URFC du Laboratoire d'Énergétique, d'Électronique et Procédés (LE2P). À propos de la modélisation numérique, Le modèle expérimentale conjugue une approche multi-échelle macroscopique 2D et mésoscopique 1D. Ce modèle prend en compte le transfert de matière, le transfert de chaleur, les réactions électrochimiques anodique et cathodique et le transfert de charges présents dans le cœur des E-PEMs. D’un point de vue mésoscopique, une attention particulière a été portée sur l’influence des régimes bi-phasiques anodiques (régime de bulles coalescées (BC régime) et régime de bulles non coalescées (NCB régime) sur le transfert de matière à l’anode et sur l’humidification de la membrane. Ces travaux démontrent et confirment l’hypothèse que la transition du NCB régime vers le CB régime augmente le transfert de matière anodique, diminue la résistance ohmique de la membrane et améliore l’efficacité des E-PEMs. À propos de la modèle analytique, l’étude analytique explore une approche adimensionnelle de l'assemblage membrane électrode (AME) en régime stationnaire et isotherme. À l’échelle locale, en 1D, les équations prises en compte sont la conservation du courant dans l’AME, les réactions électrochimiques au sein des couches actives et le transfert de matière à travers la membrane. La résolution a permis d’obtenir des expressions analytiques des surtensions aux électrodes, de la chute ohmique et de la teneur en eau dans la membrane. L’approche adimensionnelle a permis de quantifier analytiquement les sources d’irréversibilités (chute ohmique, surtensions d’activations anodique et cathodique, et de la surtension induite par le bouchonnement des canaux anodiques) respectivement pour les faibles densités de courant, les moyennes densités de courant et les hautes densités de courant. En outre, ce modèle analytique peut être implémenté dans une boucle de contrôle commande. Ces travaux de thèse proposent une contribution à la compréhension du fonctionnement des E-PEMs basse pression en général, et en particulier de l'impact des régimes bi-phasiques sur leurs performances électro-chimiques.
Intermittence du rayonnement solaire global sur l'île de la Réunion : modèle de prévision journalière et paramètres multifractaux.
soutenue le 17 Juillet 2018 par Qi Li
Les îles tropicales sont soumises à un ennuagement hétérogène et changeant rapidement. Par ailleurs, elles ont une ressource solaire importante mais significativement variable d’un jour à l’autre. Dans le sud-ouest de l’océan indien (SWIO), La Réunion fait partie de ces îles tropicales ayant un potentiel solaire colossal mais fortement intermittent. Dans cette étude, nous proposons une nouvelle approche de prévision déterministe des cartes journalières rayonnement solaire (SSR), basée sur quatre modèles de régression linéaire : une régression linéaire multiple (MLR), une régression en composantes principales (PCR), une régression des moindres carrés (PLSR) et une régression pas à pas (stepwise--SR). Ces quatre régressions sont appliquées sur les données satellites SARAH-E (CM SAF) à 5km de résolution entre 2007 et 2016, en vue d’en effectuer la prévision. Pour obtenir de meilleures performances, nous proposons d'inclure les paramètres multi-fractale (H,C_1 et α) comme nouveaux paramètres prédictifs. Ceux-ci sont obtenus à partir de l'analyse de l'intermittence du SSR basée sur la méthode d’analyse d’ordre spectral arbitraire de Hilbert. Cette analyse qui est une extension de la transformation d’Hilbert Huang (HHT) est utilisée afin d’estimer l’exposant d’échelle ξ(q). On effectue la combinaison d’une décomposition en mode empirique et de l’analyse spectrale de Hilbert (EMD + HSA). Dans une première étape, l’analyse multi-fractale est appliquée sur une mesure du SSR d'une seconde échelle à partir d'un pyranomètre SPN1 à Moufia en 2016. La moyenne infra journalière, journalière et saisonnière de la structure multi-fractale a été dérivée, et la loi d’échelle d’exposants ξ(q) a été analysée. Dans une seconde partie, l’analyse de l’intermittence est effectuée sur les mesures du SSR, d'une période d’une minute, à partir le réseau de SPN1 contenant 11 stations en 2014. Les modèles spatiaux pour toutes les stations avec les paramètres multi-fractales H,C_1 et α sont mis en évidence. La variabilité de la largeur du spectre de singularité est considérée pour étudier l'intermittence spatiale et la multi-fractalité dans l'échelle quotidienne et l'échelle saisonnière. Sur la base de ces analyses d'intermittence faites sur les mesures de plusieurs stations, les paramètres multi-fractaux universels (H,C_1 et α) pourraient être choisis comme de nouveaux prédicteurs afin d’indiquer les propriétés multi-fractales du SSR.
Variabilité spatiale et temporelle du rayonnement solaire global sur une topographie à relief marqué et complexe. Cas de l'île de La Réunion.
soutenue le 14 Septembre 2018 par Pauline Miahle
Parmi les îles de l’Indianocéanie, La Réunion présente une topographie complexe soumise à un climat tropical fortement variable. Sa localisation dans le sud-ouest de l’océan Indien lui octroie un potentiel solaire important. Concomitamment, son isolement géographique dirige le territoire vers l’autonomie énergétique, par la meilleure intégration des énergies renouvelables dans son mix énergétique. Le verrou de l’exploitation du gisement solaire local réside dans la forte intermittence de cette ressource qui est grandement tributaire de la couverture nuageuse. Ainsi, il est de première nécessité d’approfondir les connaissances du potentiel solaire local, autant en ce qui concerne sa variabilité temporelle que sa répartition spatiale. Les travaux de recherches ici menés s’axent autour de cet approfondissement nécessaire du gisement solaire local. La mesure in situ du rayonnement solaire global n’est pas équitablement répartie sur le département et ne permet donc pas d’établir une cartographie aussi équilibrée que celle offerte par les résolutions de l’imagerie satellitaire. Dans le cadre des travaux de recherches, nous exploitons le produit satellitaire SARAH-E (Solar surfAce RAdiation Heliosat – East) prodigué par le SAF Climat (CM SAF) d’Eumetsat. Les résolutions spatiales et temporelles de SARAH-E permettent d’étudier l’irradiance à la surface de La Réunion sur un total de 89 pixels et de 16 ans de données horaires (0,05°×0.05°, 1999-2015, excluant 2006). Grâce à ces données, nous articulons l’approfondissement de la connaissance du gisement solaire autour de deux méthodologies complémentaires. Dans une première étude, une cartographie du potentiel solaire moyen est établie en combinant ses deux composantes orbitales, soit : les cycles diurne et saisonnier. La complémentarité de cette considération nous permet d’extraire des zones cohérentes tant au niveau spatial que temporel, à l’image de la dynamique atmosphérique locale. En seconde partie, il sera ensuite question de quantifier et qualifier les perturbations possibles pouvant moduler le potentiel solaire moyen dans la journée. Cinq journées-types sont retenues et caractérisées selon leurs structures spatiales et temporalité associée. Par la suite, nous proposons un premier lien entre les perturbations solaires locales et certains processus atmosphériques de plus large échelle. Ainsi, nous estimons des modulations relatives selon l’oscillation de Madden-Julian, les talwegs tropicaux-tempérés et les cyclones. Finalement, nous décomposons la ressource solaire réunionnaise en (1) un potentiel moyen cyclique, selon une combinaison de la variabilité saisonnière à l’évolution diurne, et (2) des perturbations journalières types, présentant des liens avec les dynamiques atmosphériques à plus large échelle.

2019

Contrôle tolérant aux défauts appliqué aux systèmes pile à combustible à membrane échangeuse de protons (pemfc)
soutenue le 12 Avril 2019 par Etienne Dijoux
La pile à combustible apparaît comme un système performant pour produire de l’électricité « verte » à partir de l’hydrogène dès lors que celui-ci est produit à partir de sources d’énergie renouvelables. Les avantages et la maturité de la technologie à membrane polymère font des PEMFC des candidates prometteuses. Cependant, plusieurs verrous scientifiques et technologiques limitent encore leur utilisation à grande échelle, en particulier leur coût, leur fiabilité et leur durée de vie. L’amélioration de ces caractéristiques passe par la mise en place d’outils de supervision, de détection de défauts et de contrôle des systèmes pile à combustible (PàC). Le travail de recherche est le fruit d’une collaboration entre le FC LAB de l’Université de Bourgogne Franche Comté et le LE2P de l’Université de La Réunion. Ce sujet de thèse s’inscrit dans la continuité des travaux menés au laboratoire FC LAB, portant en particulier sur le diagnostic et le pronostic de systèmes PàC, et des travaux menés au laboratoire LE2P, portant sur le test en ligne d’algorithmes de commande de PEMFC. Parmi les méthodes développées pour déployer la sureté de fonctionnement à un système physique, on retrouve les techniques de tolérance aux défauts, conçues pour maintenir la stabilité du système ainsi que des performances acceptables, même en présence de défauts. Ces techniques se décomposent généralement en trois phases : la détection d’erreurs ou de défaillances, l’identification des défauts à l’origine des problèmes, et l’atténuation. La littérature fait état d’un grand nombre d’outils de diagnostic et d’algorithmes de contrôle, mais l’association du diagnostic et du contrôle reste marginale. L’objectif de ce travail de thèse est donc le test en ligne de différentes stratégies de commande tolérante aux défauts, permettant de maintenir la stabilité du système et des performances acceptables même en présence de défauts.
Développements et tests de stratégies de gestion de l'énergie à l'échelle de micro réseaux avec stockage et production d'hydrogène
soutenue le 03 Décembre 2019 par Fabrice K/Bidi
Avec le développement des technologies de pile à combustible (PàC) et d’électrolyse de l’eau, l’hydrogène électrolytique devient un pilier de la transition énergétique, substitut aux ressources fossiles et outil d’intégration des sources d’énergies renouvelables (SER) intermittentes. À l'échelle de micro-réseaux isolés ou îlotables, cette transition repose sur le développement de systèmes hybrides, couplant des panneaux photovoltaïques (PV) et des électrolyseurs pour la production de l'hydrogène, des systèmes de stockage — réservoirs d'hydrogène (H2) et batteries (Bat) — et des PàC pour la production de l’électricité. Cette étude présente des stratégies de contrôle pour un système PV-H2-Bat-PàC afin d'optimiser la gestion de l'énergie PV intermittente tout en respectant les conditions de fonctionnement des électrolyseurs et des PàC. Premièrement, une commande de type MPPT (Maximum Power Point Tracking) est développée pour assurer le fonctionnement des PV à puissance maximale, et une stratégie de contrôle basée sur des commandes prédictives est mise en œuvre pour définir un courant de référence pour la PàC, l'électrolyseur et les batteries. Deuxièmement, des contrôleurs IP sont utilisés pour réguler ces courants. Troisièmement, un problème d’optimisation permet de définir un plan d’engagement afin d’utiliser la PàC et l’électrolyseur en tenant compte de l’offre, de la demande et des stocks d’énergie.

2020

Approches neuronales adaptatives pour le contrôle tolérant aux défauts de systèmes pile à combustible
soutenue le 10 Juin 2020 par Christophe Li-Kwong-Chon
La pile à combustible à membrane échangeuse de protons est un convertisseur électrochimique prometteur pour la production électrique à partir du vecteur hydrogène décarboné. Toutefois, certains verrous technologiques limitent encore son déploiement, tels que sa durabilité, sa fiabilité ou son coût financier. La stratégie de contrôle tolérant aux défauts actif est une des solutions pour atténuer tout défaut suivant trois actions : un diagnostic, une décision et un contrôle. Cette étude propose d’élaborer un module contrôleur générique et adaptatif aux états de santé par le biais des réseaux de neurones. Le contrôleur par programmation dynamique, l’apprentissage par renforcement et les modèles à états échoïques sont combinés pour la construction du contrôleur adaptatif. Ce contrôleur emploie trois modèles neuronaux avec des rôles spécifiques : un acteur, un prévisionneur et un critique. Les défauts de noyage et d’assèchement de la membrane sont considérés dans cette étude. Le contrôleur a pu démontrer des capacités intéressantes en simulation pour la régulation multi-variables de la stoechiométrie en oxygène, de la différence de pression à la membrane et de la température. Les résultats montrent des performances supérieures du contrôleur proposé face à un contrôleur proportionnel intégral dérivé. Des analyses de stabilité accompagnent l’étude et prouvent de la continuité du contrôleur adaptatif. Le contrôleur a été validé expérimentalement sur un banc d’essai avec une mono-cellule. La configuration du banc d’essai a imposé des contraintes propres à une application en ligne et en temps réel. Le caractère générique du contrôleur offre ici la possibilité de passer d’une configuration à l’autre sans devoir concevoir un autre contrôleur. Plusieurs tests sont effectués avec comme consigne la différence de pression nulle à la membrane. Le contrôleur a pu être validé sur l’apparition des défauts de noyage, d’assèchement de la membrane, y compris les perturbations en courant, les non-linéarités des actionneurs et de la purge en eau cathodique. La démarche et le contrôleur générique adaptatif aux états de santé proposés dans cette thèse permettent de répondre à des besoins de régulation autour de la stratégie de contrôle tolérant aux défauts. Le premier intérêt réside dans la compensation des effets multilatéraux des défauts qui entraîne des modifications dynamiques non voulues. Un autre intérêt est de pouvoir modifier in situ les conditions opératoires de fonctionnement, les composants ou même les auxiliaires tout en étant capable d’assurer un contrôle stable et optimal.

2021

Étude expérimentale d'une cellule d'électrolyseur à membrane échangeuse de protons (PEMWE) : contribution à l'optimisation d'une Pile A Combustible Réversible (PAC-R), pour le stockage d'énergie solaire.
soutenue le 28 Mai 2021 par Sébastien Boulevard
Lancée le 8 septembre 2020, la stratégie nationale pour le développement de l’hydrogène (H2) décarboné constitue un axe prioritaire d’investissement pour la France. L’H2 est aujourd’hui largement produit à partir d’énergie fossile (H2 gris ou carboné ; H2 bleu avec séquestration de CO2 où décarboné) via des procédés fortement émetteurs de gaz à effet de serre (GES). Mais il peut également être produit par électrolyse de l’eau, à partir d’électricité renouvelable (H2 vert ou décarboné) sans émission GES. Les électrolyseurs à membrane échangeuse de protons (PEMWE) sont des candidats pour la production d’H2 vert. Cette thèse expérimentale a été réalisée afin d’apporter des connaissances supplémentaires sur les PEMWE, pour une contribution à l’optimisation du mode électrolyseur du nouveau concept de pile à combustible réversible à trois chambres développé au laboratoire LE2P Energy-Lab. Les travaux réalisés se sont appuyés sur plusieurs verrous technologiques et scientifiques des PEMWE. Par exemple, la gestion fluidique diphasique à l’anode (gaz / liquide) influence fortement l'alimentation en réactif (eau) des sites catalytiques ainsi que l’évacuation du produit de réaction (oxygène) vers l’extérieur. L’étude de l’évolution des bulles d’oxygène anodique sur la surface de la LGDL (canaux de distribution et couche de diffusion) a permis d’identifier plusieurs zones de fonctionnement correspondant à différents régimes bulleux, dont les deux principaux sont : un régime de bulles non coalescées et un régime de bulles coalescées. Le fonctionnement de la PEMWE en zonage a été validé grâce à d’autres données issues des méthodes de caractérisation à base de courbes de polarisation et de spectres d’impédance électrochimique (SIE). Ainsi, il a été démontré la corrélation entre différents régimes bulleux anodique et les courbes de polarisation et des SIE. Pour l’interprétation des différents phénomènes intervenant lors du fonctionnement, un schéma électrique équivalent a été développé afin de modéliser la PEMWE. Le modèle a permis de simuler le comportement résistif, le transfert de charges et de masse dans les différentes zones de fonctionnement de la PEMWE. Une corrélation entre les paramètres des CPE (Constant Phase Element en anglais) du circuit électrique équivalent et les transferts de masse et de charges au sein des PEMWE a été démontrée. Ainsi, à partir des courbes SIE et de polarisation, il est possible de décrire plus précisément l’état d’une cellule de PEMWE en fonctionnement. Comme déjà annoncés, les régimes de bulles anodiques jouent un rôle capital pour le bon fonctionnement des PEMWE. Ces travaux ont permis de démontrer l’impact de ces régimes sur les phénomènes de diffusion (transfert de masse) et de transfert de charge. Les expérimentations ont été menées avec différentes topologies de canaux de distribution dont l’influence sur les performances des PEMWE a été montrée. En outre, l’analyse des résultats des expérimentations a permis de mettre en évidence l’impact du vieillissement de la cellule de PEMWE sur ses performances. Ainsi, des phénomènes d’instabilités sur la tension de la PEMWE, fonction du temps et de la densité du courant électrique de la cellule, ont été clairement identifiés.
Caractérisations et évolutions des structures de collecte d'énergie RF sur substrats Si et SOI : application à la gestion d'énergie des systèmes microwatts.
soutenue le 12 Juillet 2021 par Edouard Rochefeuille
Les avancées en micro-électronique et technologies intégrées ont permis l’évolution et l’accroissement du monde des objets connectés nomades. Cependant, ces appareils sans-fil nécessitent d’être alimentés et font intervenir des notions de maintenance, d’accès et d’autonomie. Ainsi, dans le but de rendre ces dispositifs totalement autonomes, cette thèse propose l’étude d’un circuit participant à l’alimentation de ces objets connectés en utilisant les technologies intégrées avec comme source la récupération d’énergie radiofréquence (RF) à 2,45 GHz. La confrontation entre deux technologies intégrées est présentée : une plus récente la FDSOI 28 nm et l’autre plus connue et standard, la BULK 350 nm. Pour réaliser la fonction d’alimentation, un circuit de redressement d’énergie RF (rectenna) est associé à un circuit élévateur de tension connu sous le nom de pompe de charge. La polarisation du substrat en technologie FDSOI montre qu’une amélioration des performances de redressement est envisageable. Cela permet de répondre à la problématique : les nouvelles technologies intégrées permettent-elles de réaliser des circuits suffisamment performants pour participer à l’alimentation des capteurs sans-fil grâce à la collecte d’énergie RF? En premier lieu, nos travaux de simulations mettent en évidence le fait que la technologie FDSOI grâce à la polarisation du substrat rend possible la diminution de la tension de seuil du transistor et donc l’augmentation de la tension de sortie du redresseur (transistor monté en diode). En second lieu, les circuits sont dimensionnés en utilisant une méthode de simulations paramétriques à plusieurs variables. Enfin, après prise en compte des parasites issus de simulations post-layout, deux jeux de puces dans chaque technologie sont réalisés. Les résultats de simulation et mesure indiquent que la méthodologie adoptée contribue à l’alimentation d’un capteur tel que le TelosB dans sa phase de veille en utilisant la récupération d’énergie RF et les topologies de circuits proposés. Toutefois, l’assemblage des différents circuits n’a pas été abordé dans cette thèse et constitue une piste de réflexion pour les travaux futurs de même manière que pouvoir coupler l’énergie RF servant à l’alimentation à de l’information.