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).

Développement des bétons autoplaçants à faible teneur en poudre, Éco-BAP: formulation et performance

Abstract : Although concrete is a relatively green material, the astronomical volume of concrete produced worldwide annually places the concrete construction sector among the noticeable contributors to the global warming. The most polluting constituent of concrete is cement due to its production process which releases, on average, 0.83 kg CO[subscript 2] per kg of cement. Self-consolidating concrete (SCC), a type of concrete that can fill in the formwork without external vibration, is a technology that can offer a solution to the sustainability issues of concrete industry. However, all of the workability requirements of SCC originate from a higher powder content (compared to conventional concrete) which can increase both the cost of construction and the environmental impact of SCC for some applications. Ecological SCC, Eco-SCC, is a recent development combing the advantages of SCC and a significantly lower powder content. The maximum powder content of this concrete, intended for building and commercial construction, is limited to 315 kg/m[superscript 3]. Nevertheless, designing Eco-SCC can be challenging since a delicate balance between different ingredients of this concrete is required to secure a satisfactory mixture. In this Ph.D. program, the principal objective is to develop a systematic design method to produce Eco-SCC. Since the particle lattice effect (PLE) is a key parameter to design stable Eco-SCC mixtures and is not well understood, in the first phase of this research, this phenomenon is studied. The focus in this phase is on the effect of particle-size distribution (PSD) on the PLE and stability of model mixtures as well as SCC. In the second phase, the design protocol is developed, and the properties of obtained Eco-SCC mixtures in both fresh and hardened states are evaluated. Since the assessment of robustness is crucial for successful production of concrete on large-scale, in the final phase of this work, the robustness of one the best-performing mixtures of Phase II is examined. It was found that increasing the volume fraction of a stable size-class results in an increase in the stability of that class, which in turn contributes to a higher PLE of the granular skeleton and better stability of the system. It was shown that a continuous PSD in which the volume fraction of each size class is larger than the consecutive coarser class can increase the PLE. Using such PSD was shown to allow for a substantial increase in the fluidity of SCC mixture without compromising the segregation resistance. An index to predict the segregation potential of a suspension of particles in a yield stress fluid was proposed. In the second phase of the dissertation, a five-step design method for Eco-SCC was established. The design protocol started with the determination of powder and water contents followed by the optimization of sand and coarse aggregate volume fractions according to an ideal PSD model (Funk and Dinger). The powder composition was optimized in the third step to minimize the water demand while securing adequate performance in the hardened state. The superplasticizer (SP) content of the mixtures was determined in next step. The last step dealt with the assessment of the global warming potential of the formulated Eco-SCC mixtures. The optimized Eco-SCC mixtures met all the requirements of self-consolidation in the fresh state. The 28-day compressive strength of such mixtures complied with the target range of 25 to 35 MPa. In addition, the mixtures showed sufficient performance in terms of drying shrinkage, electrical resistivity, and frost durability for the intended applications. The eco-performance of the developed mixtures was satisfactory as well. It was demonstrated in the last phase that the robustness of Eco-SCC is generally good with regards to water content variations and coarse aggregate characteristics alterations. Special attention must be paid to the dosage of SP during batching.

Évaluation de la modélisation de la taille de grain de neige du modèle multi-couches thermodynamique SNOWPACK: implication dans l'évaluation des risques d'avalanches

Résumé: L’Institut pour l'étude de la neige et des avalanches en Suisse (SLF) a développé SNOWPACK, un modèle thermodynamique multi-couches de neige permettant de simuler les propriétés géophysiques du manteau neigeux (densité, température, taille de grain, teneur en eau, etc.) à partir desquelles un indice de stabilité est calculé. Il a été démontré qu’un ajustement de la microstructure serait nécessaire pour une implantation au Canada. L'objectif principal de la présente étude est de permettre au modèle SNOWPACK de modéliser de manière plus réaliste la taille de grain de neige et ainsi obtenir une prédiction plus précise de la stabilité du manteau neigeux à l’aide de l’indice basé sur la taille de grain, le Structural Stability Index (SSI). Pour ce faire, l’erreur modélisée (biais) par le modèle a été analysée à l’aide de données précises sur le terrain de la taille de grain à l’aide de l’instrument IRIS (InfraRed Integrated Sphere). Les données ont été recueillies durant l’hiver 2014 à deux sites différents au Canada : parc National des Glaciers, en Colombie-Britannique ainsi qu’au parc National de Jasper. Le site de Fidelity était généralement soumis à un métamorphisme à l'équilibre tandis que celui de Jasper à un métamorphisme cinétique plus prononcé. Sur chacun des sites, la stratigraphie des profils de densités ainsi des profils de taille de grain (IRIS) ont été complétés. Les profils de Fidelity ont été complétés avec des mesures de micropénétromètre (SMP). L’analyse des profils de densité a démontré une bonne concordance avec les densités modélisées (R[indice supérieur 2]=0.76) et donc la résistance simulée pour le SSI a été jugée adéquate. Les couches d’instabilités prédites par SNOWPACK ont été identifiées à l’aide de la variation de la résistance dans les mesures de SMP. L’analyse de la taille de grain optique a révélé une surestimation systématique du modèle ce qui est en accord avec la littérature. L’erreur de taille de grain optique dans un environnement à l’équilibre était assez constante tandis que l’erreur en milieux cinétique était plus variable. Finalement, une approche orientée sur le type de climat représenterait le meilleur moyen pour effectuer une correction de la taille de grain pour une évaluation de la stabilité au Canada.

Modélisation des exportations de sédiments et de nutriments dans le bassin versant de la rivière Tomifobia dans un contexte de changements climatiques

La pollution diffuse provenant des milieux agricoles a une influence majeure sur la qualité de l’eau. Le transport de sédiments et de nutriments, tels que le phosphore et l’azote, est particulièrement préoccupant. Les changements climatiques anticipés modifieront le régime hydrologique des rivières, ce qui entraînera des conséquences difficiles à anticiper, notamment sur la qualité de l’eau. Le site à l’étude est le bassin versant de la rivière Tomifobia, situé au sud-ouest du Québec, qui possède une superficie de 436 km² et qui comporte une forte activité agricole. Il a un impact important sur la qualité de l’eau du lac Massawippi puisqu’il draine 70% de son bassin versant. Le modèle hydrologique spatialisé Soil and Water Assessment Tool (SWAT) a été utilisé pour effectuer l’évaluation quantitative et qualitative de l’apport en eau à la rivière. Les activités agricoles ont été représentées dans le modèle selon un calendrier typique pour chacune des différentes cultures. Le calage et la validation du modèle pour le débit de la rivière Tomifobia ont été effectués à l’aide de la reconstitution des apports au lac Massawippi. Pour la qualité de l’eau, les données provenant de l’Institut de recherche et de développement en agroenvironnement (IRDA), du Comité de gestion du bassin versant de la rivière Saint-François (COGESAF) et la campagne d’échantillonnage du Groupe de recherche sur l’eau de l’Université de Sherbrooke (GREAUS) ont été utilisées. Les éléments analysés par rapport à la qualité de l’eau sont les sédiments, le phosphore et les nitrates. Différentes projections climatiques ont été entrées dans le modèle dans le but de déterminer les tendances hydrologiques futures. L’impact des changements climatiques sur le régime hydrologique se traduit principalement par une augmentation des débits hivernaux et une diminution des débits printaniers. Aucune tendance statistiquement significative n’a été observée pour la période estivale et automnale. L’effet des changements climatiques sur les exportations de nitrates est similaire à celui sur le débit. Pour les exportations de sédiments et de phosphore, on note une hausse à l’hiver, une baisse au printemps et une hausse pour l’été et l’automne.

Analyse des données de la mission Gravity Recovery And Climate Experiment (GRACE) sur des bassins versants choisis au Canada pour la caractérisation des eaux souterraines.

Résumé : Les eaux souterraines ont un impact majeur sur la vie terrestre, les besoins domestiques et le climat. Elles sont aussi un maillon essentiel du cycle hydrologique. Au Canada par exemple, plus de 30 % de la population est tributaire des eaux souterraines pour leur alimentation en eau potable. Ces ressources subissent de nombreuses pressions sous l’influence de certains facteurs comme la salinisation, la contamination et l’épuisement. La variabilité du climat et la demande croissante sur ces ressources imposent l'amélioration de nos connaissances sur les eaux souterraines. L’objectif principal du projet de recherche est d’exploiter les données d’anomalies (TWS) de la mission Gravity Recovery And Climate Experiment (GRACE) pour localiser, quantifier et analyser les variations des eaux souterraines à travers les bassins versants du Bas-Mackenzie, du Saint-Laurent, du Nord-Québec et du Labrador. Il s’agit aussi d’analyser l’influence des cycles d’accumulation et de fonte de neige sur les variations du niveau des eaux souterraines. Pour estimer les variations des eaux souterraines, la connaissance des autres paramètres du bilan hydrologique est nécessaire. Ces paramètres sont estimés à l’aide des sorties du modèles de surface CLM du Système Global d’Assimilation des Données de la Terre (GLDAS). Les données GRACE qui ont été utilisées sont celles acquises durant la période allant de mars 2002 à août 2012. Les résultats ont été évalués à partir d’enregistrements de niveaux piézométriques provenant de 1841 puits localisés dans les aquifères libres du bassin des réseaux de suivi des eaux souterraines au Canada. Les valeurs de rendements spécifiques des différents types d’aquifères de chaque puits et celles des variations mensuelles du niveau d’eau dans ces puits ont été utilisées pour estimer les variations des anomalies des eaux souterraines in-situ. L’étude de corrélation entre les variations des anomalies des eaux souterraines estimées à partir de la combinaison GRACE-GLDAS et celles issues de données in-situ révèle des concordances significatives avec des valeurs de

Évaluation de la performance des règles de gestion d'un réservoir de production hydroélectrique mises à jour à l'aide de la programmation dynamique stochastique et d'un modèle hydrologique

L’entreprise Rio Tinto effectue la gestion du système hydrique de la rivière Nechako, situé en Colombie-Britannique (Canada), à partir de règles de gestion optimisées à l’aide d’un algorithme de programmation dynamique stochastique (PDS) et de scénarios d’apports historiques. Les récents développements en recherche opérationnelle tendent à démontrer que la mise à jour des règles de gestion en mode prévisionnel permet d’améliorer la performance des règles de gestion lorsque des prévisions d’ensemble sont utilisées pour mieux cerner les incertitudes associées aux apports à venir. La modélisation hydrologique permet de suivre l’évolution d’un ensemble de processus hydrologiques qui varient dans le temps et dans l’espace (réserve de neige, humidité du sol, etc.). L’utilisation de modèles hydrologiques, en plus d’offrir la possibilité de construire des prévisions d’ensemble qui tiennent compte de l’ensemble des processus simulés, permet de suivre l’évolution de variables d’état qui peuvent être utilisées à même l’algorithme d’optimisation pour construire les probabilités de transition utiles à l’évaluation de la valeur des décisions futures. À partir d’un banc d’essais numériques dans lequel le comportement du bassin versant de la rivière Nechako est simulé à l’aide du modèle hydrologique CEQUEAU, les résultats du présent projet démontrent que la mise à jour des règles avec l’algorithme de PDS en mode prévisionnel permet une amélioration de la gestion du réservoir Nechako lorsque comparée aux règles optimisées avec l’algorithme en mode historique. Le mode prévisionnel utilisant une variable hydrologique combinant un modèle autorégressif d’ordre 5 (AR5) et la valeur maximale de l’équivalent en eau de la neige (ÉENM) a permis de réduire les déversements non-productifs et les inondations tout en maintenant des productions similaires à celles obtenues à l’aide de règles optimisées en mode historique utilisant l’ÉENM comme variable hydrologique. De plus, les résultats du projet démontrent que l’utilisation de prévisions hydrologiques d’ensemble en mode historique pour construire une variable hydrologique permettant d’émettre une prévision du volume d’apport médian pour les huit mois à venir (PVAM) ne permettait pas d’obtenir des résultats de gestion supérieurs à ceux obtenus avec la variable d’ÉENM.

Amélioration de la représentation des processus stochastiques pour l'optimisation appliquée à la gestion des systèmes hydriques

Dans un contexte de pression toujours plus grande sur les ressources naturelles, une gestion rationnelle des ressources hydriques s'impose. La principale difficulté de leur gestion provient du caractère aléatoire des apports en eau dans le système. Le sujet de cette recherche consiste à développer des méthodes d'optimisation stochastique capable de bien représenter les processus aléatoires. Le cas de Kemano, située en Colombie-Britannique (Canada), illustre les travaux de recherche. L'importante accumulation de neige sur les bassins versants engendre une hydrologie complexe, rendant la gestion du système délicate. La programmation dynamique stochastique est la méthode la plus utilisée pour déterminer la politique de gestion des réservoirs. Mais, son étude fait ressortir que cette méthode ne peut gérer que des modèles simplifiés des processus stochastiques, ne rendant pas compte des complexes corrélations spatio-temporelles des apports hydriques. Ainsi, la politique obtenue peut être de mauvaise qualité. Cette méthode est comparée avec la recherche directe de politique qui n'utilise pas de modèles pour représenter les processus stochastiques, mais évalue la politique sur des scénarios d'apports. Ainsi la recherche directe de politique se révèle globalement plus performante en prenant bien en considération la complexité des apports, mais est limitée par la forme prédéterminée de la politique. De plus, l'optimisation des paramètres en utilisant un algorithme évolutionnaire s'avère lente. La conception d'un algorithme de descente par gradient, combinée à une architecture "acteur-critique" appropriée, permet de réduire notablement le temps d'optimisation. Combinée à une fonction plus complexe employée pour la paramétrisation de la politique de gestion, la méthode permet d'obtenir une politique de qualité significativement supérieure à celle obtenue avec la programmation dynamique stochastique. Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse ouvrent la voie à une application opérationnelle de la méthode de recherche directe de politique. L'évaluation en simulation devrait être appréciée des opérateurs en permettant une bonne représentation du système et des apports.