Séquestration géologique du CO2 par carbonatation minérale dans les résidus miniers

La carbonatation minérale dans les résidus miniers est un moyen sûr et permanent de séquestrer le CO2 atmosphérique. C’est un processus naturel et passif qui ne nécessite aucun traitement particulier et donc avantageux d’un point de vue économique. Bien que la quantité de CO2 qu’il soit possible de séquestrer selon ce processus est faible à l’échelle globale, dans le cadre d’un marché du carbone, les entreprises minières pourraient obtenir des crédits et ainsi revaloriser leurs résidus. À l’heure actuelle, il y a peu d’informations pour quantifier le potentiel de séquestration du CO2 de façon naturelle et passive dans les piles de résidus miniers. Il est donc nécessaire d’étudier le phénomène pour comprendre comment évolue la réaction à travers le temps et estimer la quantité de CO2 qui peut être séquestrée naturellement dans les piles de résidus. Plusieurs travaux de recherche se sont intéressés aux résidus miniers de Thetford Mines (Québec, Canada), avec une approche principalement expérimentale en laboratoire. Ces travaux ont permis d’améliorer la compréhension du processus de carbonatation, mais ils nécessitent une validation à plus grande échelle sous des conditions atmosphériques réelles. L’objectif général de cette étude est de quantifier le processus de carbonatation minérale des résidus miniers sous des conditions naturelles, afin d’estimer la quantité de CO2 pouvant être piégée par ce processus. La méthodologie utilisée repose sur la construction de deux parcelles expérimentales de résidus miniers situées dans l’enceinte de la mine Black Lake (Thetford Mines). Les résidus miniers sont principalement constitués de grains et de fibres de chrysotile et lizardite mal triés, avec de petites quantités d’antigorite, de brucite et de magnétite. Des observations spatiales et temporelles ont été effectuées dans les parcelles concernant la composition et la pression des gaz, la température des résidus, la teneur en eau volumique, la composition minérale des résidus ainsi que la chimie de l’eau des précipitations et des lixiviats provenant des parcelles. Ces travaux ont permis d’observer un appauvrissement notable du CO2 dans les gaz des parcelles (< 50 ppm) ainsi que la précipitation d’hydromagnésite dans les résidus, ce qui suggère que la carbonatation minérale naturelle et passive est un processus potentiellement important dans les résidus miniers. Après 4 ans d’observations, le taux de séquestration du CO2 dans les parcelles expérimentales a été estimé entre 3,5 et 4 kg/m3/an. Ces observations ont permis de développer un modèle conceptuel de la carbonatation minérale naturelle et passive dans les parcelles expérimentales. Dans ce modèle conceptuel, le CO2 atmosphérique (~ 400 ppm) se dissout dans l’eau hygroscopique contenue dans les parcelles, où l’altération des silicates de magnésium forme des carbonates de magnésium. La saturation en eau dans les cellules est relativement stable dans le temps et varie entre 0,4 et 0,65, ce qui est plus élevé que les valeurs de saturation optimales proposées dans la littérature, réduisant ainsi le transport de CO2 dans la zone non saturée. Les concentrations de CO2 en phase gazeuse, ainsi que des mesures de la vitesse d’écoulement du gaz dans les cellules suggèrent que la réaction est plus active près de la surface et que la diffusion du CO2 est le mécanisme de transport dominant dans les résidus. Un modèle numérique a été utilisé pour simuler ces processus couplés et valider le modèle conceptuel avec les observations de terrain. Le modèle de transport réactif multiphase et multicomposant MIN3P a été utilisé pour réaliser des simulations en 1D qui comprennent l’infiltration d’eau à travers le milieu partiellement saturé, la diffusion du gaz, et le transport de masse réactif par advection et dispersion. Même si les écoulements et le contenu du lixivat simulés sont assez proches des observations de terrain, le taux de séquestration simulé est 22 fois plus faible que celui mesuré. Dans les simulations, les carbonates précipitent principalement dans la partie supérieure de la parcelle, près de la surface, alors qu’ils ont été observés dans toute la parcelle. Cette différence importante pourrait être expliquée par un apport insuffisant de CO2 dans la parcelle, qui serait le facteur limitant la carbonatation. En effet, l’advection des gaz n’a pas été considérée dans les simulations et seule la diffusion moléculaire a été simulée. En effet, la mobilité des gaz engendrée par les fluctuations de pression barométrique et l’infiltration de l’eau, ainsi que l’effet du vent doivent jouer un rôle conséquent pour alimenter les parcelles en CO2.

Growth and yield of red raspberries cultivated under open field condition vs. high tunnel or rain shelter in the northern canadian climate

La culture sous abris avec des infrastructures de type grands tunnels est une nouvelle technologie permettant d’améliorer la production de framboises rouges sous des climats nordiques. L’objectif principal de ce projet de doctorat était d’étudier les performances de ces technologies (grands tunnels vs. abris parapluie de type Voen, en comparaison à la culture en plein champ) et leur effets sur le microclimat, la photosynthèse, la croissance des plantes et le rendement en fruits pour les deux types de framboisiers non-remontants et remontants (Rubus idaeus, L.). Puisque les pratiques culturales doivent être adaptées aux différents environnements de culture, la taille d’été (pour le cultivar non-remontant), l’optimisation de la densité des tiges (pour le cultivar remontant) et l’utilisation de bâches réfléchissantes (pour les deux types des framboisiers) ont été étudiées sous grands tunnels, abris Voen vs. en plein champ. Les plants cultivés sous grands tunnels produisent en moyenne 1,2 et 1,5 fois le rendement en fruits commercialisables que ceux cultivés sous abri Voen pour le cv. non-remontant ‘Jeanne d’Orléans’ et le cv. remontant ‘Polka’, respectivement. Comparativement aux framboisiers cultivés aux champs, le rendement en fruits des plants sous grands tunnels était plus du double pour le cv. ‘Jeanne d’Orléans’ et près du triple pour le cv. ‘Polka’. L’utilisation de bâches réfléchissantes a entrainé un gain significatif sur le rendement en fruits de 12% pour le cv. ‘Jeanne d’Orléans’ et de 17% pour le cv. ‘Polka’. La taille des premières ou deuxièmes pousses a significativement amélioré le rendement en fruits du cv. ‘Jeanne d’Orléans’ de 26% en moyenne par rapport aux framboisiers non taillés. Des augmentations significatives du rendement en fruits de 43% et 71% du cv. ‘Polka’ ont été mesurées avec l’accroissement de la densité à 4 et 6 tiges par pot respectivement, comparativement à deux tiges par pot. Au cours de la période de fructification du cv. ‘Jeanne d’Orléans’, les bâches réfléchissantes ont augmenté significativement la densité de flux photonique photosynthétique (DFPP) réfléchie à la canopée inférieure de 80% en plein champ et de 60% sous grands tunnels, comparativement à seulement 14% sous abri Voen. Durant la saison de fructification du cv. ‘Polka’, un effet positif de bâches sur la lumière réfléchie (jusqu’à 42%) a été mesuré seulement en plein champ. Dans tous les cas, les bâches réfléchissantes n’ont présenté aucun effet significatif sur la DFPP incidente foliaire totale et la photosynthèse. Pour le cv. ‘Jeanne d’Orléans’, la DFPP incidente sur la feuille a été atténuée d’environ 46% sous le deux types de revêtement par rapport au plein champ. Par conséquent, la photosynthèse a été réduite en moyenne de 43% sous grands tunnels et de 17% sous abris Voen. Des effets similaires ont été mesurés pour la DFPP incidente et la photosynthèse avec le cv. Polka. En dépit du taux de photosynthèse des feuilles individuelles systématiquement inférieur à ceux mesurés pour les plants cultivés aux champs, la photosynthèse de la plante entière sous grands tunnels était de 51% supérieure à celle observée au champ pour le cv. ‘Jeanne d’Orléans’, et 46% plus élevée pour le cv. ‘Polka’. Ces résultats s’expliquent par une plus grande (près du double) surface foliaire pour les plants cultivés sous tunnels, qui a compensé pour le plus faible taux de photosynthèse par unité de surface foliaire. Les températures supra-optimales des feuilles mesurées sous grands tunnels (6.6°C plus élevé en moyenne que dans le champ), ainsi que l’atténuation de la DFPP incidente (env. 43%) par les revêtements de tunnels ont contribué à réduire le taux de photosynthèse par unité de surface foliaire. La photosynthèse de la canopée entière était étroitement corrélée avec le rendement en fruits pour les deux types de framboisiers rouges cultivés sous grands tunnels ou en plein champ.