Retrofit de systèmes de revalorisation de chaleur industrielle à basse température par optimisation exergo-économique

Ce projet porte, dans un souci d’efficacité énergétique, sur la récupération d’énergie des rejets thermiques à basse température. Une analyse d’optimisation des technologies dans le but d’obtenir un système de revalorisation de chaleur rentable fait objet de cette recherche. Le but sera de soutirer la chaleur des rejets thermiques et de la réappliquer à un procédé industriel. Réduire la consommation énergétique d’une usine entre habituellement en conflit avec l’investissement requis pour les équipements de revalorisation de chaleur. Ce projet de maitrise porte sur l’application d’optimisations multiobjectives par algorithme génétique (GA) pour faciliter le design en retrofit des systèmes de revalorisation de chaleur industrielle. L’originalité de cette approche consiste à l’emploi du «fast non-dominant sorting genetic algorithm» ou NSGA-II dans le but de trouver les solutions optimales entre la valeur capitale et les pertes exergétiques des réseaux d’échangeurs de chaleur et de pompes à chaleur. Identifier les solutions optimales entre le coût et l’efficacité exergétique peut ensuite aider dans le processus de sélection d’un design approprié en considérant les coûts énergétiques. Afin de tester cette approche, une étude de cas est proposée pour la récupération de chaleur dans une usine de pâte et papier. Ceci inclut l’intégration d’échangeur de chaleur Shell&tube, d’échangeur à contact direct et de pompe à chaleur au réseau thermique existant. Pour l’étude de cas, le projet en collaboration avec Cascades est constitué de deux étapes, soit de ciblage et d’optimisation de solutions de retrofit du réseau d’échangeur de chaleur de l’usine de tissus Cascades à Kinsley Falls. L’étape de ciblage, basée sur la méthode d’analyse du pincement, permet d’identifier et de sélectionner les modifications de topologie du réseau d’échangeurs existant en y ajoutant de nouveaux équipements. Les scénarios résultants passent ensuite à l’étape d’optimisation où les modèles mathématiques pour chaque nouvel équipement sont optimisés afin de produire une courbe d’échange optimal entre le critère économique et exergétique. Pourquoi doubler l’analyse économique d’un critère d’exergie? D’abord, parce que les modèles économiques sont par définition de nature imprécise. Coupler les résultats des modèles économiques avec un critère exergétique permet d’identifier des solutions de retrofit plus efficaces sans trop s’éloigner d’un optimum économique. Ensuite, le rendement exergétique permet d’identifier les designs utilisant l’énergie de haute qualité, telle que l’électricité ou la vapeur, de façon plus efficace lorsque des sources d’énergie de basse qualité, telles que les effluents thermiques, sont disponibles. Ainsi en choisissant un design qui détruit moins d’exergie, il demandera un coût énergétique moindre. Les résultats de l’étude de cas publiés dans l’article montrent une possibilité de réduction des coûts en demande de vapeur de 89% tout en réduisant la destruction d’exergie de 82%. Dans certains cas de retrofit, la solution la plus justifiable économiquement est également très proche de la solution à destruction d’exergie minimale. L’analyse du réseau d’échangeurs et l’amélioration de son rendement exergétique permettront de justifier l’intégration de ces systèmes dans l’usine. Les diverses options pourront ensuite être considérées par Cascades pour leurs faisabilités technologiques et économiques sachant qu’elles ont été optimisées.

Les profils motivationnels des étudiants de première année de licence de l'Université Catholique de Lille : autodétermination envers les études et dynamique motivationnelle envers les activités pédagogiques

Les étudiants de première année de licence de l’Université Catholique de Lille (UCL) constituent une population à part. D’une part, ils sont inscrits dans l’enseignement supérieur privé associatif, qui constitue une part minoritaire, mais croissante du paysage de l’enseignement supérieur français. D’autre part, leurs caractéristiques socio-économiques et leurs antécédents scolaires ne semblent pas suffisants pour expliquer leur taux de réussite plus élevé que l’ensemble des étudiants de première année de licence. Or, dans les pays occidentaux, les taux d’échecs observés en première année d’université ont généré une large littérature scientifique cherchant à mieux comprendre quelles caractéristiques étaient en mesure d’expliquer l’échec ou la réussite étudiante. Parmi les pistes proposées, l’étude des caractéristiques motivationnelles semble prometteuse. Nous nous sommes donc demandé quelles étaient les caractéristiques motivationnelles, que nous avons appelées profils, des étudiants de première année de licence de l’UCL. Pour répondre à cette question, nous avons essayé de savoir si les activités pédagogiques proposées habituellement en première année pouvaient se révéler un élément déterminant au niveau de la motivation. Le contexte de l’UCL, misant fortement sur l’innovation pédagogique pour l’avenir, rend cet éclairage particulièrement intéressant pour les responsables pédagogiques et les enseignants. Mais la particularité du système d’accès au supérieur et la spécificité de l’enseignement supérieur privé associatif nous ont également amené à questionner la motivation à effectuer des études de ces étudiants. En effet, il est difficile de s’imaginer mesurer la motivation dans une activité pédagogique sans tenir compte des motivations à s’engager dans les études de manière générale. Nous nous sommes appuyés sur un cadre de référence original empruntant à la fois à la théorie de l’autodétermination (Deci et Ryan, 1985) et de la dynamique motivationnelle au sein d’une activité pédagogique (Viau, 2009). Si l’objectif général est d’établir les profils motivationnels des étudiants de première année de licence de l’UCL, nous nous sommes demandé quelles caractéristiques personnelles (âge, sexe, origine sociale, antécédents scolaires, discipline, type d’établissement, choix et type de sélection) significatives influencent les profils motivationnels. Les résultats de l’étude portant sur 457 étudiants montrent une motivation très élevée envers les études, soutenue par des motifs à la fois intrinsèques et extrinsèques, pourtant opposés selon la théorie de l’autodétermination. Les étudiants montrent une motivation élevée envers les travaux dirigés qui allient théorie et pratique mais aussi envers les activités pédagogiques avec lesquelles ils sont familiers. Les étudiants de faculté sont motivés envers les cours magistraux et moins envers les projets, ce qui est l’inverse des étudiants en école. Notons que le résultat le plus original provient de l’étude des caractéristiques faisant varier les profils. En effet, aucune des caractéristiques personnelles étudiées ne fait varier les profils à l’exception des disciplines et du type d’établissement (école ou faculté) où sont observées des variations statistiques. En outre, au sein d’une même discipline, les différences existent en fonction du type d’établissement. Autrement dit, des facteurs contextuels propres aux établissements ou à la culture disciplinaire sont à l’origine des différents profils motivationnels. Ces conclusions renforcent le rôle de l’institution et des facteurs environnementaux propres aux établissements dans les niveaux de motivation des étudiants. Notre recherche donne également des données importantes aux acteurs de terrain en contact direct avec les étudiants.

Optimisation de l'extraction, en réacteur "batch", de biomasse énergétique à l'aide d'émulsions ultrasoniques de solvants verts

L’industrie des biocarburants de deuxième génération utilise, entre autre, la biomasse lignocellulosique issue de résidus forestiers et agricoles et celle issue de cultures énergétiques. Le sorgho sucré [Sorghum bicolor (L.) Moench] fait partie de ces cultures énergétiques. L’intérêt croissant de l’industrie agroalimentaire et des biocarburants pour cette plante est dû à sa haute teneur en sucres (jusqu’à 60% en masse sèche). En plus de se développer rapidement (en 5-6 mois), le sorgho sucré a l’avantage de pouvoir croître sur des sols pauvres en nutriments et dans des conditions de faibles apports en eau, ce qui en fait une matière première intéressante pour l’industrie, notamment pour la production de bioéthanol. Le concept de bioraffinerie alliant la production de biocarburants à celle de bioénergies ou de bioproduits est de plus en plus étudié afin de valoriser la production des biocarburants. Dans le contexte d’une bioraffinerie exploitant la biomasse lignocellulosique, il est nécessaire de s’intéresser aux différents métabolites extractibles en plus des macromolécules permettant la fabrication de biocarburants et de biocommodités. Ceux-ci pouvant avoir une haute valeur ajoutée et intéresser l’industrie pharmaceutique ou cosmétique par exemple. Les techniques classiques pour extraire ces métabolites sont notamment l’extraction au Soxhlet et par macération ou percolation, qui sont longues et coûteuses en énergie. Ce projet s’intéresse donc à une méthode d’extraction des métabolites primaires et secondaires du sorgho sucré, moins coûteuse et plus courte, permettant de valoriser économiquement l’exploitation industrielle du de cette culture énergétique. Ce travail au sein de la CRIEC-B a porté spécifiquement sur l’utilisation d’une émulsion ultrasonique eau/carbonate de diméthyle permettant de diminuer les temps d’opération (passant à moins d’une heure au lieu de plusieurs heures) et les quantités de solvants mis en jeu dans le procédé d’extraction. Cette émulsion extractive permet ainsi de solubiliser à la fois les métabolites hydrophiles et ceux hydrophobes. De plus, l’impact environnemental est limité par l’utilisation de solvants respectueux de l’environnement (80 % d’eau et 20 % de carbonate de diméthyle). L’utilisation de deux systèmes d’extraction a été étudiée. L’un consiste en la recirculation de l’émulsion, en continu, au travers du lit de biomasse; le deuxième permet la mise en contact de la biomasse et des solvants avec la sonde à ultrasons, créant l’émulsion et favorisant la sonolyse de la biomasse. Ainsi, en réacteur « batch » avec recirculation de l’émulsion eau/DMC, à 370 mL.min[indice supérieur -1], au sein du lit de biomasse, l’extraction est de 37,91 % en 5 minutes, ce qui est supérieur à la méthode ASTM D1105-96 (34,01 % en 11h). De plus, en réacteur « batch – piston », où la biomasse est en contact direct avec les ultrasons et l’émulsion eau/DMC, les meilleurs rendements sont de 35,39 % en 17,5 minutes, avec 15 psig de pression et 70 % d’amplitude des ultrasons. Des tests effectués sur des particules de sorgho grossières ont donné des résultats similaires avec 30,23 % d’extraits en réacteur « batch » avec recirculation de l’émulsion (5 min, 370 mL.min[indice supérieur -1]) et 34,66 % avec le réacteur « batch-piston » (30 psig, 30 minutes, 95 % d’amplitude).