Grace à la croissance importante des données générées par le secteur, les entreprises s’appuient davantage sur l'intelligence artificielle pour développer leur activité. En effet, l'application des modèles d'apprentissage automatique à ces données leur permet de gérer la demande d'énergie, la consommation et anticiper les défaillances de manière efficace en termes de temps et du coût. L’apprentissage automatique présente un outil puissant pour découvrir de nouvelles sources d’énergies durables et optimiser l'utilisation des énergies traditionnelles.Ces dernières années, l'apprentissage automatique a conduit à de nombreuses applications et avancées réussies dans le domaine de l'énergie. Cependant, et malgré leur précision, plusieurs difficultés apparaissent avec les modèles utilisés: leur prédictions sont parfois insatisfaisantes et manquent d'interprétabilité. En effet, la plupart des modèles d’apprentissage automatiques sont considérés comme des boîtes noires. Nous n’avons pas d’idée de (i) l'incertitude de la prédiction ni (ii) de l'impact réel des changements de variables et d'interventions à travers ces boîtes noires. Il en résulte la sur/sous-estimation de l'incertitude du modèle, ou des prédictions trompeuses qui contredisent les connaissances des ingénieurs et des experts. Ce problème est assez critique dans les systèmes énergétiques où la gestion des risques et l'interprétabilité des prédictions sont primordiales pour des raisons économiques, environnementales et opérationnelles.Dans la première partie de cette thèse, nous considérons le problème de la quantification des incertitudes. Le modèle de processus gaussiens est connu comme l'une des méthodes d'apprentissage automatique bayésien les plus performantes pour quantifier les incertitude. Les méthodes d'estimation par maximum de vraisemblance ou de validation croisée sont fréquemment utilisées pour identifier ses paramètres. Néanmoins, elles peuvent échouer et ne pas estimer correctement les intervalles de prédiction si certaines hypothèses sur le modèle ne sont pas vérifiées, typiquement la bonne spécification du modèle.Concernant le problème des modèles de processus gaussiens mal-spécifiés, une approche robuste en deux étapes est développée pour ajuster et calibrer les intervalles de prédiction du modèle. La méthode permet d’obtenir des intervalles de prédiction de petites largeurs avec des probabilités de couverture appropriées. Elle se base sur la validation croisée comme métrique pour ajuster les hyperparamètres de la covariance et assurer que la probabilité de couverture du modèle final atteigne le niveau nominal.Dans la deuxième partie, nous considérons le problème de l'inférence causale et l’estimation des effets d’interventions. Le modèle causal de Neyman-Rubin est largement utilisé par les statisticiens pour faire estimer les effets d’un traitement. Cependant, la plupart des considérations de ce modèle se limitent à un traitement binaire. Or, dans de nombreuses applications, la variable d'intérêt peut être discrète ou même continue. En outre, les effets du traitement varient selon les caractéristiques des unités. L'hétérogénéité du traitement doit être explorée pour personnaliser mieux la politique d'intervention et optimiser les résultats.Pour résoudre le problème de l’estimation des effets hétérogènes du traitement, un cadre bien connu d'estimateurs statistiques, appelé méta-apprenants, est étendu aux traitements multiples et continus. La discussion sur la consistance des méta-apprenants et l’analyse de leur biais et variance donne un aperçu des avantages et des inconvénients de chaque méta-apprenant. Enfin, quelques recommandations et limites ont été mises en évidence quant à l'utilisation des méta-apprenants pour les traitements continus.Le travail effectué dans cette thèse est générique. Les applications réelles comprennent, sans s'y limiter, les puits de gaz conventionnels, les batteries et les systèmes géothermiques améliorés.