Towards the reduction of greenhouse gas emissions : models and algorithms for ridesharing and carbon capture and storage

Avec la ratification de l'Accord de Paris, les pays se sont engagés à limiter le réchauffement climatique bien en dessous de 2, de préférence à 1,5 degrés Celsius, par rapport aux niveaux préindustriels. À cette fin, les émissions anthropiques de gaz à effet de serre (GES, tels que CO2) doivent être réduites pour atteindre des émissions nettes de carbone nulles d'ici 2050. Cet objectif ambitieux peut être atteint grâce à différentes stratégies d'atténuation des GES, telles que l'électrification, les changements de comportement des consommateurs, l'amélioration de l'efficacité énergétique des procédés, l'utilisation de substituts aux combustibles fossiles (tels que la bioénergie ou l'hydrogène), le captage et le stockage du carbone (CSC), entre autres. Cette thèse vise à contribuer à deux de ces stratégies : le covoiturage (qui appartient à la catégorie des changements de comportement du consommateur) et la capture et le stockage du carbone. Cette thèse fournit des modèles mathématiques et d'optimisation et des algorithmes pour la planification opérationnelle et tactique des systèmes de covoiturage, et des heuristiques pour la planification stratégique d'un réseau de captage et de stockage du carbone. Dans le covoiturage, les émissions sont réduites lorsque les individus voyagent ensemble au lieu de conduire seuls. Dans ce contexte, cette thèse fournit de nouveaux modèles mathématiques pour représenter les systèmes de covoiturage, allant des problèmes d'affectation stochastique à deux étapes aux problèmes d'empaquetage d'ensembles stochastiques à deux étapes qui peuvent représenter un large éventail de systèmes de covoiturage. Ces modèles aident les décideurs dans leur planification opérationnelle des covoiturages, où les conducteurs et les passagers doivent être jumelés pour le covoiturage à court terme. De plus, cette thèse explore la planification tactique des systèmes de covoiturage en comparant différents modes de fonctionnement du covoiturage et les paramètres de la plateforme (par exemple, le partage des revenus et les pénalités). De nouvelles caractéristiques de problèmes sont étudiées, telles que l'incertitude du conducteur et du passager, la flexibilité de réappariement et la réservation de l'offre de conducteur via les frais de réservation et les pénalités. En particulier, la flexibilité de réappariement peut augmenter l'efficacité d'une plateforme de covoiturage, et la réservation de l'offre de conducteurs via les frais de réservation et les pénalités peut augmenter la satisfaction des utilisateurs grâce à une compensation garantie si un covoiturage n'est pas fourni. Des expériences computationnelles détaillées sont menées et des informations managériales sont fournies. Malgré la possibilité de réduction des émissions grâce au covoiturage et à d'autres stratégies d'atténuation, des études macroéconomiques mondiales montrent que même si plusieurs stratégies d'atténuation des GES sont utilisées simultanément, il ne sera probablement pas possible d'atteindre des émissions nettes nulles d'ici 2050 sans le CSC. Ici, le CO2 est capturé à partir des sites émetteurs et transporté vers des réservoirs géologiques, où il est injecté pour un stockage à long terme. Cette thèse considère un problème de planification stratégique multipériode pour l'optimisation d'une chaîne de valeur CSC. Ce problème est un problème combiné de localisation des installations et de conception du réseau où une infrastructure CSC est prévue pour les prochaines décennies. En raison des défis informatiques associés à ce problème, une heuristique est introduite, qui est capable de trouver de meilleures solutions qu'un solveur commercial de programmation mathématique, pour une fraction du temps de calcul. Cette heuristique comporte des phases d'intensification et de diversification, une génération améliorée de solutions réalisables par programmation dynamique, et une étape finale de raffinement basée sur un modèle restreint. Dans l'ensemble, les contributions de cette thèse sur le covoiturage et le CSC fournissent des modèles de programmation mathématique, des algorithmes et des informations managériales qui peuvent aider les praticiens et les parties prenantes à planifier des émissions nettes nulles.

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