IP Paris : les doctorants à l'avant garde de la modélisation numérique et de la transition écologique

En quoi consistent vos travaux de thèse ?

Les rivières sont essentielles pour la biodiversité et les activités humaines. Ces dernières sont d’ailleurs à l’origine de la dégradation de leurs eaux, empêchant notamment la baignade. L’un des critères permettant de mesurer la qualité de l’eau, et par là-même d’autoriser ou non les activités aquatiques, est la contamination par les bactéries indicatrices fécales (BIF). C’est précisément sur ce critère que se concentre ma thèse. Je m’explique. Afin de gérer au mieux la qualité des rivières, il est important de connaitre les sources de contamination par ces microorganismes. Or, dans un environnement urbain, elle a de multiples origines liées au fonctionnement du réseau d’assainissement. Par temps de pluie par exemple, le réseau d’égouts unitaire, qui mélange les eaux usées et les eaux pluviales, peut-être saturé. Une partie du débit emprunte alors les déversoirs d’orage (DO) et se déverse directement dans la rivière. Mes travaux visent à quantifier la contribution de chaque DO parisien à la dégradation de la qualité de l’eau observée en Seine. Pour cela, je modélise dans un premier temps le débit des DO à partir des données de précipitation – ce qui permet d’anticiper le comportement de déversement à partir des prévisions météorologiques – puis j’estime la concentration en BIF lors d’un déversement en me basant sur des mesures microbiologiques haute fréquence de qualité d’eau effectuées in situ. Cette dernière étape permet d’identifier les sources les plus contaminantes. 

Quelles sont les applications directes ou potentielles ?

Les résultats de cette thèse sont applicables à la gestion de la qualité de l’eau en milieu urbain. Les agences de l’eau, les collectivités locales et les différents acteurs du secteur pourraient s’en saisir pour, nous l’avons vu précédemment, identifier les DO contribuant le plus à la contamination bactérienne en rivière. Ils pourraient également les utiliser comme outil d’alerte précoce et gérer au mieux les prises d’eau potable ou les sites de baignade en anticipant les épisodes de contamination à partir des prévisions météo. Enfin, ces résultats donneront une visibilité aux collectivités sur les stratégies de gestion à développer pour réduire la contamination. En identifiant par exemple les zones à désimperméabiliser préférentiellement pour réduire le déversement, ou encore celles à équiper de dispositifs de réutilisation d’urine et de matière fécale pour diminuer la charge polluante.

Qu’est-ce qui vous a poussé à vous lancer dans une thèse de doctorat dans ce domaine ?

De mon point de vue, la recherche en sciences de l’environnement répond à plusieurs besoins : mieux comprendre notre monde actuel, alerter sur les dangers et proposer des solutions. Et ce de manière neutre, sans notion de profit à court terme. Par ailleurs, je suis convaincu que la perte de la biodiversité est la conséquence la plus dramatique du contexte environnemental actuel et que le meilleur moyen de lutter contre l’anxiété écologique est de passer à l’action. Ma thèse concerne donc un des trois leviers sur lesquels il est possible d’agir pour freiner cette tendance, la pollution (les deux autres étant la destruction des habitats naturels et la surexploitation des ressources naturelles). Ainsi, au quotidien, je peux répondre à mon besoin de curiosité grâce aux mathématiques appliquées et à mon besoin de sens en contribuant à des activités humaines respectueuses de l’environnement.

En quoi consistent vos travaux de thèse ?

Mes travaux de thèse s’inscrivent dans un contexte où les technologies de l’information et de la communication représentent 4 % des émissions globales et ont un important impact environnemental. Ils portent sur la modélisation mathématique de l’économie circulaire appliquée aux smartphones. Leur objectif principal est d’analyser comment les politiques de rachat d’anciens téléphones proposées aux clients lorsqu’ils souhaitent changer d’appareil – les buy backs - peuvent contribuer à réduire les émissions polluantes et les déchets. En effet, si ces mesures avantagent le recyclage ou le reconditionnement de smartphones, elles récompensent aussi l’achat de nouveaux appareils et leur renouvellement plus fréquent. La question de l’efficacité de ces mesures, des gains environnementaux espérés et de la définition d’une politique optimale est alors soulevée. 

Pour y répondre, j’ai développé un modèle analytique innovant prenant simultanément en compte ces effets contradictoires et l’identification d’une valeur optimale de rachat. Il intègre pour cela plusieurs catégories de téléphones (premiums, basiques, reconditionnés), considère qu’un acteur global contrôle la valeur du rachat des téléphones premium et impacte la fréquence de remplacement ainsi que le taux de retour des appareils, puis segmente les consommateurs selon leur sensibilité aux buy-back pour refléter la diversité des comportements réels. L’influence d’autres facteurs, tels que l’éco-conception ou la sensibilisation des consommateurs est également mesurée. 

Quelles sont les applications directes ou potentielles ?

Ce modèle intéresse principalement les acteurs impliqués dans la gestion du cycle de vie des smartphones : opérateurs, reconditionneurs, décideurs publics. Il constitue un outil d’aide à la décision pour concevoir des politiques publiques ou des stratégies d’entreprise et évaluer l’impact environnemental des buy-back. Il permet d’identifier des méthodes optimales pour encourager la durabilité en équilibrant la collecte des téléphones usagés et la fréquence de remplacement. Plus largement il met en lumière les risques et les précautions à prendre lors du déploiement des politiques de rachat par des entreprises ou des responsables politiques.

Ce cadre méthodologique est adaptable à d’autres secteurs concernés par le rachat et la revente de produits d’occasion (industrie automobile, électroménager, équipements électroniques...), ce qui ouvre de nouvelles perspectives de transition vers une économie circulaire à l’échelle industrielle.

Qu’est-ce qui vous a poussé à vous lancer dans une thèse de doctorat dans ce domaine ?

J’ai eu l’opportunité de réaliser un stage sur ce même sujet avant ma thèse et l’expérience m’a convaincue de poursuivre dans cette voie. Cela faisait sens pour moi, notamment parce que je suis convaincue que la science doit servir des problématiques majeures de société, comme la transition écologique. Par ailleurs, ce travail mobilise mes compétences en optimisation, ma spécialité, et me permet de les appliquer à un domaine concret et impactant. Enfin, je me sens soutenue dans le développement de modèles en accord avec mes intérêts scientifiques. Cette thèse s’est donc imposée naturellement comme une suite logique et motivante à mon parcours.

En quoi consistent vos travaux de thèse ?

Si la plupart des éoliennes offshore actuelles sont posées sur le fond de la mer, la prochaine génération de parc éolien utilisera principalement une technologie flottante. Celle-ci procure aux éoliennes l’avantage de mieux tirer profit des vents constants et réguliers du large, d’avoir un impact visuel et environnemental moindre et de permettre une installation simplifiée et plus économique à quai. 

C’est sur ces dispositif offshores flottants que se concentre ma thèse, notamment les éoliennes soutenues par des fondations semi-submersibles ou à poutre. Cette technologie implique souvent la présence de plaques de soulèvement qui améliorent la dynamique de la structure, c’est-à-dire son comportement (mouvements verticaux notamment) dans le temps face aux vagues. Cela est rendu possible par l'augmentation des effets d'inertie (ou masse ajoutée) et par l'amortissement de ces dernières.

L'objectif de mon travail est de comprendre les mécanismes d'amortissement en jeu en analysant les structures d'écoulement générées par les plaques ainsi que leur interaction avec les vagues. Il s’agit de travaux expérimentaux s’appuyant sur le canal à vague de l’EDF Lab de Chatou (78). Les oscillations de la plaque sont imposées à l'aide d'un actionneur linéaire. Les forces, les déplacements et l'élévation de l'eau sont alors mesurées, ce qui aide à caractériser les performances des plaques.

Quelles sont les applications directes ou potentielles ?

Les travaux de ma thèse visent à contribuer aux développements actuels menés par l'industrie éolienne offshore.  

Qu’est-ce qui vous a poussé à vous lancer dans une thèse de doctorat dans ce domaine ?

J’ai suivi le master of engineering – Meng, Sciences and Technologies for Energy d’IP Paris, dédié aux énergies renouvelables. Au cours de ce parcours, je me suis de plus en plus intéressé au secteur éolien offshore, ce qui m’a conduit à un stage EDF sur le sujet. C’est en voulant approfondir cette thématique pertinente pour le secteur que je me suis lancé dans une thèse.

En quoi consistent vos travaux de thèse ?

Mes travaux de thèse portent sur le développement de photo électrodes innovantes destinées à convertir le CO₂ en carburants ou en produits chimiques à partir de l’énergie solaire. L’objectif principal est d’exploiter les excellentes performances des absorbeurs photovoltaïques constitués de diséléniure de cuivre, d’indium et de gallium - Cu(In,Ga)Se₂ (CIGS) – largement utilisés dans les cellules solaires, afin de produire un photo courant élevé tout en valorisant le CO₂.

Pour cela, il convient de modifier leur couche fenêtre – c’est-à-dire la couche mince semi-conductrice placée du côté éclairé de la cellule - constituée d’oxyde de zinc (ZnO). Elle est alors nanostructurée par des couches nanoporeuses (ou nanorods) et des catalyseurs moléculaires actifs pour la réduction du CO₂ y sont intégrés. Ces architectures hybrides ZnO/catalyseurs sont conçues et optimisées pour améliorer l’efficacité, la sélectivité et la stabilité du processus photoélectrochimique.

Mes travaux visent à contrôler l’épaisseur et la morphologie des nanostructures. Ils se concentrent également sur le dépôt de catalyseurs, puis l’étude de leurs propriétés physico-chimiques et photoélectrochimiques à l’aide de techniques de caractérisation spectroscopiques et électrochimiques.

L’utilisation de différentes architectures nanostructurées (nanoporeuses, nanorods simples ou hiérarchiques, co déposition avec des catalyseurs moléculaires) les rend innovants. Elle permet d’augmenter le nombre de sites actifs, d’améliorer la sélectivité des produits formés et d’accroître la durabilité des photo électrodes.

Quelles sont les applications directes ou potentielles ?

Les applications directe et potentielles de ces travaux concernent la valorisation du CO₂ mais aussi la production de carburants et de produits chimiques verts tels que le monoxyde de carbone (CO), l’acide formique (HCOOH) ou le méthanol (CH₃OH) en utilisant la lumière solaire. Ils contribuent au développement de technologies durables pour la transition énergétique, destinées aux secteurs de l’énergie et de l’environnement, avec pour objectif la limitation des émissions de gaz à effet de serre. 

Qu’est-ce qui vous a poussé à vous lancer dans une thèse de doctorat dans ce domaine ?

J’ai choisi de réaliser cette thèse par intérêt pour les énergies renouvelables et la chimie durable. J’ai également à cœur de contribuer à l’élaboration de solutions face au changement climatique.
IP Paris apporte un environnement scientifique de qualité propice à ma démarche, notamment grâce à l’excellence des laboratoires de l’IPVF et les collaborations avec l’équipe eMOCA de l’Institut parisien de chimie moléculaire (Sorbonne Université – CNRS), reconnue pour son expertise dans le domaine des matériaux et de la réduction du CO₂.

En quoi consistent vos travaux de thèse ?

Dans un contexte de changement climatique, la rénovation énergétique des logements est un levier efficace de réduction de la consommation d’énergie et des émissions de gaz à effet de serre. Pour autant, le nombre de rénovations reste bien en-deçà des objectifs fixés, d’où la mise en place de différentes politiques publiques en ce sens. Pour permettre une évaluation prospective de ces dernières, le Centre international de recherche sur l’environnement et le développement (CIRED) élabore un modèle de microsimulation de la demande résidentielle d'énergie pour le chauffage, Res-IRF. L’originalité de cet outil réside dans la prise en compte des principales barrières à l'investissement, notamment le dilemme propriétaire-locataire, les problèmes de coordination en copropriété, etc. Ma thèse contribue au développement de Res-IRF. Elle a pour objectif d’y intégrer les rétroactions des marchés immobiliers afin de modéliser de façon plus réaliste les effets de l'interdiction de mise en location des passoires thermiques. Mais aussi de permettre au modèle de prendre en compte la concurrence imparfaite des marchés de la rénovation afin d’évaluer plus finement l’incidence économique des politiques publiques.

Quelles sont les applications directes ou potentielles ?

Ces travaux visent principalement à améliorer l’évaluation des politiques de rénovation énergétique existantes ou envisagées, comme MaPrimeRénov’, les Certificats d’Économies d’Énergie ou l’interdiction de mise location des passoires thermiques. Plusieurs administrations utilisent déjà le modèle Res-IRF, notamment la Direction générale de l’énergie et du climat (DGEC) dans le cadre de l’évaluation de la composante résidentielle de la Stratégie nationale bas-carbone (SNBC).

Qu’est-ce qui vous a poussé à vous lancer dans une thèse de doctorat dans ce domaine ?

Ce sont principalement le rôle structurant et la complexité du Bâtiment qui m’ont attiré. Ce secteur est en effet structurant dans l’économie et les conditions de vie des ménages mais aussi très complexe par l’hétérogénéité du parc immobilier. Sur ce dernier point, chaque rénovation, comme chaque bâtiment, présente des caractéristiques propres, ce qui en fait un objet difficile à analyser. De fait, après une formation en ingénierie du bâtiment et un stage de recherche consacré aux barrières et motivations à la rénovation énergétique, ce projet de thèse sur la modélisation des barrières immobilières et concurrentielles m’a immédiatement intéressé. J’ai l’opportunité de me former à l’économie (nouvelle pour moi), tout en approfondissant mes compétences en modélisation, appliquée à un secteur complexe et concret.

Pourquoi avoir choisi de faire cette thèse à IP Paris ?

J’ai souhaité réaliser cette thèse à l’Institut Polytechnique de Paris pour la qualité de son environnement académique et scientifique, ainsi que pour la présence d’équipes de recherche travaillant à l’interface économie – énergie – environnement - modélisation. La visibilité nationale et internationale d’IP Paris constitue par ailleurs un cadre favorable pour mener et diffuser des travaux de recherche.

En quoi consistent vos travaux de thèse ?

Mon travail de doctorat porte sur l’accélération des simulations reliant le climat et l’économie, tout en conservant leur structure scientifique. J’étudie pour cela le module climatique du modèle DICE (Dynamic Integrated Climate–Economy), qui utilise des systèmes d’équations différentielles pour montrer comment les émissions de gaz à effet de serre influencent l’évolution de la température. L’objectif de ma thèse est alors de construire un modèle simplifié et rapide qui évite de résoudre à répétition ces équations coûteuses en temps de calcul.

Pour cela, des scénarios d’émissions complexes sont tout d’abord représentés sous une forme compacte, elle-même basée sur des fonctions exponentielles (les polynômes de Dirichlet). Un réseau de neurones est ensuite entrainé à relier directement ces émissions encodées aux trajectoires de température.

Un ajustement du temps approprié assure alors une bonne régularité mathématique des fonctions du modèle, ce qui permet au réseau d’apprendre correctement et de donner des résultats efficaces et théoriquement justifiés.

Au final, on obtient un émulateur climatique à la fois rapide et fidèle au modèle DICE d’origine.

Quelles sont les applications directes ou potentielles ?

Ce travail permet une évaluation rapide des scénarios climatiques dans les modèles d'évaluation intégrée (IAM), ces outils scientifiques reliant climat, économie et société dans le but d’évaluer les impacts du changement climatique et les politiques de réduction des émissions. Il est particulièrement utile pour l'analyse des politiques, les tests de résistance climatique et la quantification des incertitudes, qui nécessitent de nombreuses simulations. Cette méthodologie est destinée aux chercheurs et aux praticiens dans les domaines de l'économie climatique, des politiques publiques, de la finance et de l'assurance, ainsi qu'aux institutions telles que les banques centrales et les organismes publics travaillant sur l'évaluation des risques climatiques.

Qu’est-ce qui vous a poussé à vous lancer dans une thèse de doctorat dans ce domaine ?

Combiner mathématiques rigoureuses et questions climatiques du monde réel est un défi qui m’a particulièrement motivé. Je peux faire le lien entre la théorie mathématique, la modélisation numérique et l'apprentissage automatique, tout en développant des outils à la fois scientifiquement fondés et utiles. Le Centre de Mathématiques Appliquées de l'École Polytechnique offre un cadre idéal pour travailler à l'interface des mathématiques, de la modélisation climatique et des applications économiques. Plus largement, IP Paris offre une expertise solide en mathématiques appliquées et un environnement de recherche interdisciplinaire de qualité.