Le potentiel de réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES) est l’argument principal motivant l’implantation de nouvelles technologies bioénergétiques utilisant la biomasse forestière. Les bois dégradés sont abondants dans les peuplements feuillus et mixtes à feuillus durs du Québec. Ces bois ne sont pas récoltés en raison de la qualité de leur fibre qui ne satisfait pas les critères de l’industrie forestière conventionnelle. Notre étude avait comme objectif d’évaluer le potentiel de conversion biochimique et thermochimique des bois feuillus dégradés. Pour ce faire, nous avons évalué l’impact de la dégradation du bois sur ses propriétés chimiques et physiques, puis nous avons conduit deux tests de conversion : i) l’analyse du rendement de digestibilité enzymatique pour la voie biochimique; ii) l’évaluation de la stabilité et de l’efficacité de la combustion pour la conversion thermochimique. Une analyse d’ADN nous a permis de déterminer, pour chacun des échantillons, la proportion de l’abondance relative des champignons de pourriture blanche par rapport à l’ensemble des sa protrophes du bois. Les propriétés physiques et chimiques ont réagi de façon différente à l’augmentation du niveau de dégradation. L’ensemble de ces propriétés a cependant été maintenu dans l’intervalle de variations permettant au bois de rester propre à la conversion en bioénergie. Nous avons observé deux tendances selon lesquelles le rendement de digestibilité enzymatique ainsi que la performance de la combustion seraient améliorés par une augmentation de la proportion de pourriture blanche. Les résultats de notre étude démontrent que la matière première dégradée pourrait être utilisée au même titre que la matière première saine pour la conversion bioénergétique.

Faisant partie intégrante de l'histoire du Québec, les forêts ont aussi un fort potentiel reconnu dans la lutte contre les changements climatiques. Au regard de leurs fonctions et des biens et services qu'elles offrent à la société, les forêts constituent une ressource indispensable dans la mobilisation de l'énergie. En effet, la biomasse issue des forêts permet de remplacer les combustibles fossiles et autres produits à fortes émissions de gaz à effet de serre. Cependant, l'utilisation de la bioénergie forestière à des fins de chauffage et de cogénération est à l'état embryonnaire au Québec. De plus, les besoins de mobilisation et d'arrimage des acteurs à l'intérieur des chaînes de valeur sont peu étudiés. Par ailleurs, les interfaces possibles des chaînes avec les milieux d'accueil sont peu connues et les retombées économiques et sociales possibles restent à quantifier. Cette thèse permet ainsi d'évaluer le cadre organisationnel, environnemental, social et économique des modèles types de chaînes de valeur de la bioénergie forestière, en s'intéressant plus particulièrement à la production de chauffage et de cogénération dans les bâtiments institutionnels et commerciaux. La chaîne de valeur est un concept qui décrit la gamme complète des activités à valeur ajoutée nécessaires pour conduire un produit ou un service à travers les différentes phases de production. Premièrement, dans le but de caractériser les chaînes de valeur de bioénergie forestière, une méthode d'analyse qualitative au moyen d'entrevues semi-dirigées a été proposée avec une mobilisation des acteurs de la filière du chauffage à la biomasse forestière et du secteur forestier. La démarche a permis d'établir la typologie des modèles types de chaînes de valeur. Ainsi, les conclusions s'appuient sur les témoignages de ces acteurs, l'analyse des documents gouvernementaux et la littérature scientifique. Deuxièmement, pour quantifier les retombées environnementales, économiques et sociales associées au développement des modèles types de chaînes de valeur, une étude sur l'évaluation d'impact sur la durabilité des chaînes de valeur de bioénergie forestière a été menée. Au moyen du modèle Tool of sustainability impact assessment (ToSIA), il a été possible d'identifier des indicateurs environnementaux, économiques et sociaux et de les quantifier afin de mieux apprécier l'importance du développement de la bioénergie dans la région de Québec. Nos projections révèlent qu'une mobilisation importante de la biomasse forestière combinée à la mise en œuvre de technologies efficaces de conditionnement et de combustion de la biomasse sont des facteurs clés pour la région qui pourraient contribuer de manière significative à l'atteinte des objectifs de production d'énergie renouvelable et de bioénergie de la province. Troisièmement, au-delà de l'évaluation d'impact sur la durabilité des chaînes de valeur, la bioénergie forestière est à usages multiples. Ce dernier volet de la thèse vise à analyser la performance du système de chauffage aux granules de bois intégré dans des systèmes énergétiques hybrides dans des bâtiments urbains. En effet, il s'agit de mesurer la performance énergétique d'un système de chauffage urbain aux granules intégré dans un ensemble de systèmes énergétiques des bâtiments résidentiels et commerciaux. Au moyen de l'approche de la « valeur du système » alimentée par des données d'un bâtiment résidentiel nouvellement construit et celles d'un bâtiment commercial rénové, il a été possible d'analyser le rendement énergétique du système de chauffage aux granules de bois. Bien que le système de chauffage soit énergétiquement performant dans les deux types de bâtiments, des écarts de performance énergétique sont observés au niveau des deux bâtiments. Les économies nettes d'énergie sont plus importantes dans le bâtiment résidentiel que dans le bâtiment commercial. Par conséquent, la performance énergétique du système de chauffage aux granules de bois est supérieure dans le bâtiment résidentiel. En conclusion, les résultats de cette thèse ont permis de développer un nouveau modèle d'évaluation environnementale, économique et sociale de la bioénergie forestière pour le chauffage et la cogénération des bâtiments institutionnels et commerciaux. La thèse a permis d'étudier et de proposer des approches de mobilisation et d'arrimage des acteurs à l'intérieur des chaînes de valeur. De plus, les interfaces possibles des chaînes avec les milieux d'accueil sont connues et les retombées économiques et sociales possibles sont quantifiées. / As an integral part of Quebec's history, forests also have a strong potential in the fight against climate change. Considering their functions and the goods and services they offer to society, forests are essential resources for energy mobilization. Indeed, forest biomass can replace fossil fuels and other materials with high greenhouse gas emissions. However, the use of forest bioenergy for heating and cogeneration is in its infancy in Quebec. Furthermore, the needs for mobilizing and linking actors within value chains are poorly studied. Furthermore, little is known about the possible interfaces of the chains with the host environments, and the possible economic and social benefits have yet to be quantified. This thesis assesses the organizational, social, and economic framework of typical forest bioenergy value chain models, with a focus on heating and cogeneration production in institutional and commercial buildings. The value chain is a concept that describes the full range of value-added activities required to drive a product or service through the various phases of production. Firstly, to characterize forest bioenergy value chains, a qualitative analysis method using semi-structured interviews was proposed with the mobilization of actors from the forest biomass heating sector and the forestry sector. The approach made it possible to establish a typology of typical value chain models. Thus, the conclusions are based on the testimonies of these actors, the analysis of government documents and the scientific literature. Secondly, to quantify the environmental, economic, and social impacts associated with the development of typical value chain models, a sustainability impact assessment of forest bioenergy value chains was conducted. Using the Tool of sustainability impact assessment (ToSIA), it was possible to identify and quantify environmental, economic, and social indicators to better assess the importance of bioenergy development in the Quebec region. Our projections indicate that significant mobilization of forest biomass combined with the implementation of efficient biomass conditioning and combustion technologies are key factors for the region that could significantly contribute to the province's renewable energy and bioenergy production goals. Finally, beyond the sustainability impact assessment of value chains, forest bioenergy has multiple uses. The third chapter aimed to analyze the performance of wood pellet heating systems integrated with hybrid energy systems in urban buildings. Using the « system value » approach and data from a newly constructed residential building and a renovated commercial building, we analyzed the energy performance of a wood pellet heating system. Although the heating system is energy efficient in both types of buildings, discrepancies of energy performance were observed. The net energy savings are greater in the residential building than in the commercial building. Therefore, the energy performance of the wood pellet heating system is superior in the residential building. In conclusion, the results of this thesis have allowed the development of a new model for the environmental, economic, and social assessment of forest bioenergy for heating and cogeneration of institutional and commercial buildings.

Les perturbations naturelles font partie intégrante de l’aménagement des forêts boréales canadiennes. Des débouchés doivent être trouvés pour les quantités importantes de bois provenant d’arbres dégradés ou morts. Une option prometteuse est la bioénergie. Cependant, il est essentiel de regarder la rentabilité de cette filière. Une approche par étude de cas a été réalisée pour évaluer la rentabilité d’une usine de bioénergie qui utilise de la biomasse dégradée, dans la province de Québec (Canada), en s’approvisionnant sur les mêmes territoires que les usines de sciage et de pâte. Les opérations forestières de récolte et transport ont été simulées. La rentabilité d’un scénario témoin, pour lequel seulement la récolte de bois marchand destiné au sciage et à la pâte et qui laisse les arbres trop dégradés intacts, a été comparée à la rentabilité d’un scénario transformant les arbres dégradés en bioénergie, tout en transformant les arbres sains en sciage et pâte. Aussi, l’effet de la répartition des coûts fixes sur un plus grand volume de bois a été évalué. Les bénéfices de la récolte de biomasse pour la bioénergie, en termes de réduction de l’intensité des travaux de préparation de terrain, a aussi été évaluée. Les résultats montrent qu’au prix actuel du marché, dominé par les granules de bois, la récolte de bois morts ou dégradés pour faire de la bioénergie n’est pas aussi rentable que de laisser les arbres debout, non coupés. Le scénario de bioénergie reste rentable lorsque le niveau de dégradation moyen est modéré. Aussi, la répartition des coûts fixes sur un plus grand volume de bois a permis de réaliser des économies de 2.83$C/m3 en moyenne. Finalement, la récolte de biomasse pour la bioénergie a permis de réaliser des économies allant de 0 à 500$/ha, en évitant des coûts de préparation de terrain.

La demande en énergies renouvelables est en constante augmentation. Le maïs est le plus utilisé en Amérique du Nord pour la production de bioéthanol. Toutefois, sa culture est exigeante et son utilisation pour des fins énergétiques est controversée. De nouvelles plantes énergétiques comme le millet perlé et le sorgho sucrés ont alors été explorées. Ces plantes poussent très bien dans des sols de moindre qualité, requièrent peu d'amendements et tolèrent bien le manque d'eau. Par ailleurs, aucune technique n'a été mise au point pour extraire le jus de leur biomasse directement à la ferme. L'objectif principal de ce travail de recherche était de concevoir et fabriquer une presse commerciale permettant d'extraire efficacement le jus de la biomasse du sorgho et du millet perlé sucrés et aussi intégrer une chambre d'accumulation de blocs de bagasse pour former des balles d'ensilage dédiées à l'alimentation animale. Un cahier des charges a d'abord permis de spécifier les critères de conception à respecter. Un remue-méninge et une matrice de décision ont par la suite été utilisés pour déterminer la meilleure solution répondant aux besoins. Finalement, une conception et une optimisation par ordinateur ont permis de produire le concept final. La presse et la chambre d'accumulation de blocs de bagasse ont été fabriquées au Département des sols et de génie agroalimentaire de l'Université Laval. Aussi, un système d'attache des blocs de bagasse a été intégré à la presse afin d'évaluer la faisabilité d'une valorisation de la bagasse sous forme de balles d'ensilage rectangulaires. Plusieurs essais intensifs au champ ont permis de tester le système presse/chambre d'accumulation de blocs de bagasse et de se prononcer sur son efficacité. Ce système a été testé avec succès et les résultats obtenus indiquent que la presse est capable de traiter 1.75 m³ de biomasse à la fois (environ 700 kg). Des taux d'extraction de 45 L de jus par 100 kg de biomasse ont été atteints, ce qui dépasse de loin les taux obtenus antérieurement à l'aide de petits prototypes de presse. Parmi les méthodes d'attache testées, l'enrobage dans un tube de plastique s'est avéré le plus adéquat. L'instrumentation installée sur la presse a permis de maximiser l'information obtenue lors des essais, ce qui a permis de mieux optimiser les cycles de pressage. Les données recueillies grâce à l'instrumentation ont permis de développer un modèle prédictif de la quantité de jus recueillie suite au pressage de la biomasse. L'information supplémentaire a aussi permis de caractériser les efforts internes subis par la presse lors des essais, ce qui permettra de mieux optimiser la structure d'un prochain prototype afin de réduire sa masse et donc les coûts de fabrication. Il est par ailleurs recommandé de réaliser d'autres essais incluant la biomasse de millet perlé sucré afin d'améliorer le modèle proposé et en étendre les limites d'utilisation. Des modèles plus étendus et précis permettront de mieux évaluer les étendues de la rentabilité du processus de pressage. / Demand for renewable energy is on the rise now more than ever. Right now, corn is the most used crop for ethanol production. It is, however, the most demanding crop to grow and its use as an energy source is controversial. For that reason, new energy crops like sweet pearl millet and sweet sorghum have been explored. Those plants grow easily on low potential soils, require little fertilizers and resist drought. However, no method is currently available to extract the juice from the biomass directly on the farm. The main objective of this research work was to design, build, and test a commercial scale press that extracts efficiently the juice from the biomass of sweet sorghum and sweet pearl millet and to integrate an attachment system to wrap the bagasse as silage bales. A design specification sheet first regrouped the design criteria. A brainstorm and a decision matrix were then used to determine the most adequate solution that best suites our requirements. Finally, computer aided design and optimisation allowed to produce the final solution. The press and bale forming attachment were built at the Department of Soil and Agri-Food Engineering of Université Laval. Also, a bagasse attachment system was integrated to the press in order to assess the feasibility of valorising the bagasse as rectangular silage bales. Intensive field trials allowed testing the press/bale attachment system and determining its efficiency. The system has been used with success and the results showed that the press is able to process 1.75 m³ (approx. 700 kg) at a time. Extraction rates of up to 45 L of juice per 100 kg of biomass were obtained, which surpassed results from previous tests with small scale press prototypes. Among the attachment methods tested, wrapping the blocs in a plastic tube proved to be the most adequate option. The instrumentation installed on the press allowed maximising the data obtained during the tests, which made it possible to better optimise the pressing cycles. The data was also used to develop a predictive model of the juice extraction from the biomass. The additional data also allowed better characterising the internal mechanical forces experienced by the press. This will be useful in optimizing the structure of another eventual prototype to reduce its mass and consequently manufacturing costs. Further tests including the biomass of sweet pearl millet are however recommended to refine the extraction model and expand its limits. More extensive and precise models will allow better assessing the limits of the pressing process profitability.

L’objectif de la recherche proposée dans cette thèse est d’apporter une meilleure compréhension au mécanisme de la torréfaction de la biomasse et de proposer des méthodes pratiques afin d’améliorer l’efficacité de ce processus. Quant au mécanisme, la torréfaction de deux échantillons de biomasse lignocellulosique des forêts du Québec (le faux-tremble et le bouleau) et leurs constituants principaux tels que la lignine, la cellulose et l’hémicellulose est étudiée en détail en utilisant différentes techniques expérimentales et un modèle cinétique a été développé pour décrire la cinétique de leur torréfaction. Notre étude sur le mécanisme et la cinétique de torréfaction de la biomasse révèle également une faible vitesse de torréfaction de la biomasse, ce qui nous a motivés à proposer et développer une nouvelle méthode de torréfaction impliquant des liquides ioniques dans le but de stimuler la vitesse de torréfaction de la biomasse. Bien que la torréfaction améliore les propriétés physicochimiques de la biomasse en tant que combustible, la production d’hydrocarbures oxygénés (sous forme de volatils) de la biomasse lors de la torréfaction réduit son énergie globale. Dans le but de récupérer l’énergie des volatils, une nouvelle combinaison de la torréfaction de la biomasse et de la combustion des volatils dans une boucle chimique de combustion (Chemical Looping Combustion) a été étudiée dans cette thèse. À cet effet, les minéraux ultramafiques abondants et préalablement broyés, largement disponibles dans la province de Québec, ont été testés en tant que transporteurs solides d’oxygène conduisant à près de 96% de conversion des volatils à 700°C dans un réacteur CLC. Comme travail supplémentaire, nous étions également intéressé à explorer l’application potentielle des résidus miniers contenant une quantité considérable de fer pour le craquage catalytique de goudrons produits pendant les processus de gazéification de la biomasse. À cet effet, le potentiel de deux résidus miniers et des minéraux renfermant du fer obtenus de diverses activités minières au Québec a été comparé à celui de l’olivine (connu comme minéral actif pour le craquage du goudron). / The aim of the proposed research was to provide a better understanding of the mechanisms of biomass torrefaction and to propose practical methods to improve the efficiency of this process. As for the mechanism, torrefaction of two woody biomass samples from Quebec forests (aspen and birch) and their main constituents, i.e., lignin, cellulose and hemicellulose is studied in details using different experimental techniques and a kinetic model is developed for their torrefaction. Our studies on the mechanism and kinetics of biomass torrefaction also revealed the slow rate of biomass torrefaction which motivated us to propose and develop a new ionic-liquid assisted torrefaction process with the aim of increasing the rate of biomass torrefaction. Although torrefaction improves the physicochemical properties of biomass fuel, release of oxygenated hydrocarbons (in the form of volatiles) from biomass reduces its overall energy. To recover volatiles energy, a new combination of biomass torrefaction and chemical looping volatiles combustion was studied. In this regard, the already comminuted, abundant and cheap iron and magnesium bearing silicate minerals found widely in the form of mining residues in the province of Quebec were tested as solid oxygen carrier and up to 96% of volatiles conversion at 700°C was achieved in CLC reactor. As a supplementary work, we were also interested to explore the potential of mining residues containing sizeable quantities of iron for catalytic cracking of tar released during the gasification of biomass. For this purpose, iron-bearing mining residues and minerals obtained from the mining activities in Quebec were evaluated comparatively to olivine (known as an active mineral for tar cracking) for benzene cracking in simulated syngas. It was found that chrysotile showed up to four-fold increase in benzene and methane conversion than olivine.

Le secteur canadien des pâtes et papiers (P&P) a joué un rôle socioéconomique majeur durant les deux derniers siècles. Ces compagnies, en plus de l’avantage de leur positionnement géographique, ont accumulé une expérience confirmée en matière d’industrie forestière, dont notamment le traitement de la biomasse ligneuse. Au cours des trois dernières décennies, ces entités ont encouru des contraintes environnementales difficiles, auxquelles vient s’ajouter une crise chronique du marché. Cette dernière crise a eu des retombées sans précédent sur le côté social, ce qui a amené à qualifier le contexte difficile du secteur comme une crise de soutenabilité. Au cours de la dernière décennie, l’industrie de l’énergie verte est devenue une composante basique des stratégies de transition énergétique pour les pays développés. La biomasse a toujours été au coeur de cette stratégie pour le Canada. Pour les P&P, cette orientation constitue une opportunité pour résoudre la crise environnementale et économique accrue du secteur. Les preneurs de décision ont besoin d’une feuille de route pour transformer les usines de P&P en Bioraffinerie Forestière Intégrée (BRFI). Le choix des technologies, le dimensionnement de la capacité de production et le choix des voies d’investissement bioénergétique constituent des préoccupations majeures pour les preneurs de décision. Toutefois l’évaluation de la soutenabilité de cette transformation demeure un défi de taille. Notre contribution vise à développer des approches et des outils d’aide à la décision pour supporter une transformation efficace, robuste et durable de l’industrie des P&P au Canada. L'objectif est d’évaluer la soutenabilité de l’intégration des BRFI et de communiquer un nouveau modèle d’affaires aux preneurs de décision, tout en renforçant leur capacité de négocier une politique incitative propice en matière des investissements bioénergétiques dans le cadre du partenariat public-privé. La méthodologie utilisée pour atteindre cet objectif se place à l'intersection de l'aide à la décision, de l'optimisation mathématique et de l'analyse financière et économique. Notre première contribution propose la conception et l’application d’une méthode d’évaluation de la soutenabilité intégrant l’approche cycle de vie à l'optimisation du réseau de création de valeur dans le cadre d’un modèle mathématique multiobjectif. Ce dernier modèle fournira une feuille de route pour les investissements soutenables en bioénergie, minimisant les émissions de Gaz à Effet de Serre (GES) et maximisant la valeur financière de la bioraffinerie sur un horizon de planification à long terme tout en assurant une gestion optimale de l’activité incubatrice. Au niveau de la deuxième contribution, nous présentons une analyse de sensibilité du modèle mathématique proposé selon des scénarios plausibles, et ce, avec l’élaboration d’un canevas pour bien communiquer le modèle aux preneurs de décision. Le but de cette partie est d'évaluer la robustesse du modèle, de bien communiquer aux parties prenantes les implications des choix d'investissement dans la production de bioénergie dans un environnement incertain et d’identifier les perspectives pour améliorer l'efficacité du modèle proposé. Dans la troisième contribution, nous proposons une analyse fiscale approfondie des modes de dépréciations dérogatoires appliqués aux investissements en bioénergie. Cette analyse traite l’impact des types d’amortissements dérogatoires sur le choix d’investissement bioénergétique et sur la soutenabilité. Notre objectif est de fournir aux preneurs de décision un ensemble d’outils d’aide à la décision tout en renforçant leur pouvoir de négocier une politique fiscale favorable à l’investissement bioénergétique. Dans cette partie, on a mis en évidence le fait que le choix de l’investissement couplé avec le choix de sa façon de dépréciation offre à l’investisseur une visibilité plus complète sur les conséquences pratiques de l’investissement dans le domaine bioénergétique en connivence avec la législation fiscale en vigueur. Ce qui conforte le partenariat public-privé et détermine le niveau d’interventionnisme public dans la réussite des transformations escomptées du secteur de P&P. L’analyse d’impacts sociaux et les approches de programmation stochastique pour l’étude de robustesse n’ont pas été abordées par ce travail, elles ont été présentées comme perspectives de recherche. / The Canadian pulp and paper sector has played a major socio-economic role in the last two centuries. In addition to the advantage of their geographical position, P&P companies have accumulated proven experience in the forest industry, including the treatment of wood biomass. Over the last three decades, these entities have faced difficult environmental constraints, compounded by a chronic market crisis. This latest crisis has had unprecedented social consequences leading to a crisis of sustainability. Over the last decade, the green energy industry has become a basic component of the energy transition strategies for developed countries. Biomass has always been at the heart of such a strategy for Canada. For the P&P, this orientation is an opportunity to solve the growing environmental and economic crisis of the sector. Decision-makers need a road map to transform P&P's factories into an Integrated Forest Biorefinery (IFBR). The choice of technologies, the sizing of production capacity and the choice of bioenergy investment are major concerns for decision-makers. However, assessing the sustainability of this transformation remains a major challenge. Our contribution is focused on developing decision support approaches and tools to support an effective, robust and sustainable transformation of Canada's P&P industry. The objective is to assess the sustainability of the IFBR integration and to present a new business model to decision-makers, which can strengthen their ability to negotiate a favorable incentive policy for bioenergy investments within the framework of the public-private partnership. To achieve this goal, our methodology combines decision support tools, mathematical optimization models, along with financial and economic analysis. Our first contribution proposes the design and application of a sustainability evaluation method integrating the life cycle approach and the optimization of the value creation network as part of a multi-objective mathematical model. The proposed model provides a roadmap for sustainable bioenergy investments, minimizing GHG emissions and maximizing the financial value of the biorefinery over a long-term planning horizon while ensuring optimal management of the incubator activity. In the second contribution, we present a sensitivity analysis of the proposed mathematical model according to well selected scenarios, with the development of a framework for communicating the model to the decision-makers. The purpose of this analysis is to assess the robustness of the model, to communicate to stakeholders the implications of investment choices in bioenergy production in an uncertain environment, and to identify opportunities for improving the effectiveness of the proposed model. In the third contribution, we propose an in-depth tax analysis using accelerated depreciation methods applied to investments in bioenergy. This analysis deals with the impact of the types of depreciations on the choice of bioenergy investment and on sustainability. Our goal is to provide decision makers with a set of decision support tools while strengthening their power to negotiate a tax policy favorable to bioenergy investment. In this part, it was highlighted that the choice of the investment coupled with the choice of its depreciation way offers the investor a more complete visibility on the practical consequences of the investment in the bioenergetics field with respect to prevalent tax legislation. This reinforces the public-private partnership and determines the level of public interventionism needed for the success of the expected transformation of the P&P sector. The social impact analysis and stochastic programming approaches for the robust study were not addressed by this work, they were presented as research perspectives.