201 - Énergie

Les matériaux composites de type nanoparticules semi-conductrices/graphène ont suscité beaucoup d'intérêt, en raison de leurs excellentes propriétés physiques et optiques. Dans ce travail, nous nous intéressons à préparer et caractériser, pour la première fois, un système composite à base de nanoparticules de CuInS₂/graphène (CIS/Gr), initialement obtenu via un processus de physisorption, à l’aide d’une nouvelle méthode de synthèse colloïdale impliquant le précurseur de CIS et l’oxyde de graphène fonctionnalisé. Les analyses de diffraction (DRX et électronique) démontrent que le CIS croît dans la phase tétragonale, tandis que le Gr présente une structure hexagonale. Les analyses Raman du matériau composite présentent les bandes caractéristiques du CIS et du Gr. Les images MET et MEB montrent des particules semi-sphériques de diamètre < 10 nm, dispersées sur les feuillets de graphène. L’analyse XPS révèle la présence des éléments Cu, In et S (CIS), et C et O (Gr). Un léger déplacement vers des énergies de liaison plus élevées a été noté pour les orbitales Cu 2p_3/2, In 3d_5/2, S 2p_1/2 et S 2p_3/2 ; ce résultat est lié à la présence du graphène dans l’environnement des nanoparticules. Les mesures de capacité par spectroscopie d’impédance révèlent un comportement de type n pour le CIS. L’ajout d’un faible pourcentage massique de graphène (0,2 à 1%) conserve les propriétés semi-conductrices du CIS mais améliore significativement le transfert de charge (Fig.1). 



Dans le quotidien ou pour la fabrication de produits de consommation, l’énergie est au cœur de l’activité humaine. Le développement de la batterie au lithium a été une des nombreuses solutions aux problèmes énergétiques. Commercialisées au début des années 1990, les batteries au lithium-ion ont aujourd’hui une importance indéniable puisqu’elles se retrouvent dans de nombreux appareils électroniques tels que les cellulaires et les ordinateurs portables. Toutefois, la capacité et la sécurité de ces batteries peuvent être améliorées. En ce sens, la recherche actuelle vise l’amélioration de l’efficacité des différentes composantes des batteries au lithium-ion, à savoir l’anode, la cathode et/ou l’électrolyte. Nous présenterons une méthode de synthèse qui utilise la technologie des plasmas thermiques inductifs pour synthétiser une poudre et/ou pour déposer directement un matériau de cathode à base de LiFePO₄ sur un substrat conducteur comme le nickel, en partant de précurseurs sols-gels. Les premiers résultats démontrent que la synthèse de poudre de LiFePO₄ par plasma inductif donne un matériau de taille nanométrique et de morphologie sphérique. Par ailleurs, la déposition par plasma permet d’obtenir un revêtement à structure olivine stable, résistant et ayant une très bonne réversibilité électrochimique. Les résultats de caractérisation physico-chimique et électrochimique seront présentés.

Pour le développement de l'hydrogène comme vecteur énergétique, il est essentiel de disposer de moyens sûrs, efficaces et peu coûteux de stocker l'hydrogène. La forme de stockage dans un hydrure métallique est intéressante puisque la  capacité de stockage volumique est  supérieure au stockage sous pression ou même liquide, bien que la capacité gravimétrique soit relativement faible. Les hydrures métalliques sont donc considérés pour des applications stationnaires, mobiles et portables où le volume de l'unité de stockage est un facteur. ??

En dépit de sa capacité de stockage d'hydrogène faible, l’alliage Fer-Titane (FeTi) est utilisé dans certaines applications commerciales, car l’absorption et la désorption d’hydrogène peut se faire à température ambiante. De plus, cet alliage est relativement peu coûteux. Le problème majeur est que la première hydrogénation (communément  appelé l'activation) du FeTi est généralement longue et coûteuse. L’objectif de nos travaux est d’éliminer la phase d'activation. Le procédé utilisé consiste à doper le FeTi avec un composé à base de zirconium ou de nickel. Les analyses des alliages obtenus sont faits à l'aide d'appareils à titration d'hydrogène. Les résultats préliminaires nous indiquent que le zirconium permet d’obtenir 1,3%poids total d’hydrogène à température ambiante. Ces résultats correspondent aux attentes minimales de nos partenaires industriels.

Un nouveau procédé de conversion catalytique de la biomasse lignocellulosique (résidus forestiers, de bois ou d’agriculture, herbes vivaces, algues, etc) en hydrocarbures (essence riche en aromatiques BTX, oléfines légères – précurseurs des matières plastiques et fibres synthétiques) a été récemment développé dans nos laboratoires. Ce procédé comporte deux étapes principales:1) Catalyse homogène en milieu acide et éthanolique, et en présence d’un oxydant et de son catalyseur à base de fer soluble: cette conversion de craquage oxydatif réussit à extraire plus de 70 % en poids de la biomasse, principalement sous forme d’esters d’acides carboxyliques.2) Catalyse hétérogène sur catalyseur nanométrique de zéolithe ZSM-5: Tous les produits de la première étape sont envoyés sur le catalyseur zéolitique qui produit finalement: l’essence “premium” riche en aromatiques BTX, les oléfines légères comme l’éthylène, propylène et butènes, et des paraffines de grade LPG. La conversion est totale grâce à l’action promotrice de l’éther diéthylique, un sous-produit de la première étape.    Le résidu solide, Cat-lignin, peut avoir des applications industrielles importantes.  Le procédé B-t-H (Biomasse-à-hydrocarbures) est prometteur à plusieurs points de vue: technologique, environmental et économique. Il constitue donc une approche novatrice à côté des procédés traditionnels de fermentation enzymatique d’alcools (éthanol et autres) . 


L'intérêt renouvelé pour la fermentation produisant l'acétone, le butanol et l’éthanol (ABE) est le résultat de la demande croissante des carburants renouvelables afin de fournir un combustible plus propre, durable et respectueux de l'environnement comme alternative aux combustibles à base de pétrole. Le butanol est considéré comme un meilleur carburant que le bioéthanol en raison de sa plus grande densité énergétique, sa plus faible pression de vapeur et sa plus grande compatibilité avec les technologies existantes. Ces caractéristiques sont la raison de l’engouement de l’utilisation du biobutanol comme remplacement potentiel pour l'essence. Cependant, la production du biobutanol est contrainte par des coûts élevés de séparation dus à la présence d'autres coproduits dans le bouillon de fermentation et à sa faible concentration finale due à l’inhibition par le butanol. En effet, un certain nombre de défis doivent être relevés avant que le butanol puisse devenir un concurrent viable aux autres biocombustibles. Les deux défis les plus importants sont l'augmentation de la concentration finale de butanol dans le bouillon de fermentation et le développement d’une technique efficace de séparation. Dans cette recherche, le procédé de fermentation utilisant la fermentation sous vide, l’absorption gazeuse et la pervaporation, a été optimisé individuellement et comparer pour augmenter l'efficacité de la fermentation par une diminution de l'effet toxique du butanol.



Dans le domaine du contrôle, l’ajustement de contrôleur PID est une étape importante puisqu’il y a un impact direct sur la qualité de la réponse du système. Pour un système non linéaire comprenant un retour d’anti-saturation, il devient rapidement complexe et inapproprié d’ajuster les paramètres de contrôle avec des méthodes  classiques. Comme solution, la syntonisation de correcteur peut être vue comme un problème d’optimisation combinatoire ayant pour fonction objective le critère de performance de la réponse du système. Ainsi, j’ai proposé une méthode d’ajustement globale des paramètres  hors ligne à base d’algorithmes à colonies de fourmis (ACO) appliquée à une structure de commande de boucles en cascade pour un système d’entraînement avec couplage flexible. Les résultats obtenus démontrent que cette méthode offre deux avantages majeurs; l’ajustement simultané d’un grand nombre de paramètres et une flexibilité du critère de performance permettant de pénaliser spécifiquement des caractéristiques de la réponse et d’imposer des limites sur le courant et la vitesse du moteur.  Pour augmenter la faisabilité pratique pour une validation expérimentale par implantation sur FPGA de la méthode, j’ai réduit le temps de calcul en la combinant à un algorithme de recherche locale (Nelder-Mead).  Les résultats obtenus confirment que cet algorithme hybride conserve les avantages de l’ACO et réduit considérablement le temps de calcul, tout en améliorant la qualité de la réponse.

L’écologie industrielle, permet d’atteindre une organisation industrielle plus rationnelle et plus équilibrée, en essayant d’imiter la structure des écosystèmes naturels. L’accomplissement de ce concept réside dans la mise en œuvre de parcs éco-industriels (EIP) : des entreprises qui se rassemblent pour partager l’utilisation des ressources, des matières premières et certains services. La modélisation et l’optimisation d’un EIP permettent de concevoir de façon optimale les échanges inter-entreprises (énergie, matières premières). Cependant, les études portant sur la conception des EIP mettent en évidence un manque important concernant la prise en compte de données territoriales sur un tel écosystème. Pourtant, le territoire qui accueille ce type de symbiose est déterminant car il impose des contraintes sur la consommation des ressources, leur type (énergies renouvelables ou non), mais également des contraintes de type économique.Cette étude vise à développer un outil innovant pour la gestion de l’énergie dans un EIP tout en prenant en compte divers critères d’optimisation. Un critère économique est formulé ainsi qu’un critère lié à la notion de risque d’intégrer une symbiose pour une entreprise.  Une méthodologie est mise en œuvre pour intégrer des données territoriales (énergie, ressources naturelles) au modèle d’optimisation multicritère.

Le domaine pétrochimique constitue un environnement multidisciplinaire où plusieurs professionnels travaillent ensemble. Comme ces compagnies ont souvent un budget limité qu’elles tentent d’optimiser, la tendance veut qu’elles favorisent l’embauche d’ingénieurs chimiques au détriment du nombre d’ingénieurs mécaniques présents au sein de la firme. Ceux-ci ayant plusieurs tâches et étant énormément sollicités.

La conception et l’analyse de circuits de transport de permettrait à des ingénieurs chimiques de concevoir les circuits ce qui enlèverait un poids significatif sur les épaules des quelques ingénieurs mécaniques. L’outil d’aide à l’analyse et à la conception de circuit de transport de fluides présenté dans ce rapport vise à permettre la conception d’un  circuit fonctionnel et optimal à un utilisateur peu familier avec les concepts avancés du génie mécanique. L’idée principale derrière ce projet est d’offrir un outil facile à utiliser qui nécessite aucun calcul de la part du concepteur, seulement une bonne connaissance des caractéristiques et paramètres de son circuit et certaines informations sur le fluide qui y circulera. Mise à part certains graphes devant possiblement être trouvés et consultés par l’utilisateur, l’outil effectue tout le travail à lui seul et permet d’éviter d’encombrer un bureau de documentations et de manuels techniques qui peuvent être intimidants pour une personne n’ayant pas de formation directe en génie mécanique.