Cette thèse aborde l'étude du fonctionnement des forêts tropicales à travers trois chapitres. Le premier porte sur la dynamique de la biomasse à l'échelle du paysage. Il apporte une amélioration de l'estimation de la biomasse et des erreurs associées à partir de données de terrain et de données de LiDAR aéroporté (ALS) dans une zone à très forte biomasse. L'approche préconisée par Chave (2014) a été adoptée pour calculer la biomasse et sa dynamique sur les parcelles permanents ce qui a permis d'avoir une relation entre biomasse et médiane de la hauteur de la canopée mesurée grâce à l'ALS. Deux relevés ALS à quatre ans d'intervalle ont ensuite permis de quantifier la biomasse à l'échelle du paysage et sa dynamique. Le second chapitre traite de la dynamique et la structure d'une forêt infestée par des lianes. La combinaison des données de suivis de parcelle, des relevés ALS, de l'étude des sols et de suivi de la dynamique de la litière et des plantules a permis de mettre en évidence un fonctionnement particulier. La dynamique et la structure de la forêt de lianes (beaucoup de perturbations, des arbres plus petits) et le fait que sa présence ne semblait pas lié à des facteurs édaphiques nous ont amené à la considérer comme un état de régénération alternative bloquée de la forêt. Enfin, dans le troisième chapitre, des données issues d'une cinquantaine de capteurs micrométéorologiques et des données d'ALS ont été combinée pour étudier l'hétérogénéité spatiotemporelle des microenvironnements forestiers et les relier à la structure forestière. Deux méthodes de prédiction de l'intensité lumineuse reçue, la température ambiante et l'humidité relative à partir des données d'ALS ont été proposée. Elle permettent de décrire a diversité de ces variable dans un sous-bois tropical. / This thesis is structured in three chapters. In the first one, aerial LiDAR scanning (ALS) data were combine to field measurement of the aboveground biomass to allow a quantification of it at the landscapes scale. Two successive ALS survey were used to quantify AGB stocks and their dynamics. In the second chapter the structure and dynamics of a liana-infested forest is studied. Permanent plot data, soil survey and seedling survey were combined to remote sensing (ALS and Landsat). Together, these data suggest the liana-infested forest to be in an arrested succession. In the third chapter ALS data were used to model light availability, temperature and relative humidity in forest understory. We show this data can be used to predict ecological relevant climatic variable at the landscape scale.

La biomasse est une source d'énergie renouvelable qui capte et stock le CO2. Les objectifs de ce travail ont été d'étudier les comportements thermiques de la biomasse et de ses constituants (cellulose, hémicellulose et lignine). Nous nous sommes plus particulièrement intéressés aux mécanismes de dégradation thermique des polymères naturels survenant en premier dans les traitements thermiques(les mécanismes primaires). Ce travail a été réalisé dans le cadre de l'ACI "Biomasters" avec le soutien du crédit mutuel. Les comportements thermiques de différentes biomasses et de ses constituants ont été étudiés en utilisant la thermogravimétrie (ATG), la pyrolyse couplée à la spectrométrie de masse (Py-SM) et la pyrolyse couplée à la chromatographie gazeuse avec détection par spectrométrie de masse(Py-CG/SM). Nous avons montré, par ATG, que les comportements thermiques des constituants sont sensiblement différents et précisé leurs rôles dans la dégradation thermique. Nous avons aussi montré l'impossibilité de proposer des lois prévisionnelles du comportement thermique d'une biomasse sur la base des résultats obtenus pour ses constituants. En Py-SM nous avons développé une méthode permettant de mettre en évidence les fragments moléculaires les plus représentatifs de la dégradation thermique. Ceci nous a permis de préciser les constituants les plus sensibles à l'action de catalyseurs métalliques. L'analyse Py-CG/SM des mélanges a montré que les compositions des vapeurs dans les mélanges sont proches de lois d'addition simples. Nous terminons notre travail par une application de la pyrolyse / gazéification du Miscanthus pour la production d'un gaz à bonne valeur énergétique / Biomass is a renewable energy source, which collect and stock CO2. The objectives of this work were to study the thermal behavior of natural biomass and its components (cellulose, hemicellulose and lignin). We were particularly interested in the thermal degradation mechanisms of natural polymers arising, first, during heat treatments (primary mechanisms). This work was carried out with in the framework of the ACI "Biomasters" with the support of Credit Mutuel. The thermal behaviors of biomass and its components were studied by using thermogravimetry (TGA), pyrolysis coupled with mass spectrometry(Py-MS) and pyrolysis coupled with gas chromatography with detection by mass spectrometry (Py-GC/MS). The thermal behaviors of biomass components were shown, by TGA, to be appreciably different and their roles were specified in thermal degradation. We also showed the impossibility of proposing estimated laws of biomass thermalbehavior on the basis of the main component TGA results. With Py-MS, we developed a method allowing to highlight the most representative molecular fragments evolved during biomass thermal degradation. This enabled us to specify the most sensitive components towards metallic catalystaction. The Py-CG/SM analysis of the mixtures showed that vapor compositions in the mixtures are close to simple laws of addition. We complete our work by an application of pyrolysis/gasification of Miscanthus for the of a sas with value

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.

La transformation des résidus forestiers en bioénergie est une façon de récupérer et d'ajouter de la valeur à ces résidus et de produire une forme d'énergie renouvelable pouvant remplacer des produits d'origine fossile. L'objectif de ce projet était de quantifier la variabilité chimique et physique de résidus forestiers de différentes classes de décomposition et d'espèces récoltées dans six régions du Québec. Les résidus étudiés étaient composés de parties d'arbre (troncs ou branches) laissées sur les parterres de coupe après la récolte de bois destiné aux produits du sciage et de la pâte. L'analyse de ces données nous a permis de constater que les variables telles que l'espèce et la région expliquent en partie la variabilité des caractéristiques chimiques du bois. Ces données sont essentielles pour évaluer le potentiel de ces résidus pour la production de bioénergie et pour optimiser les procédés de conversion. La compréhension des différences entre les résidus permettra d'identifier les meilleures stratégies pour transformer ceux-ci en produits de bioénergie par des processus thermochimiques ou biochimiques. Cette étude des propriétés physiques et chimiques des résidus forestiers au Québec offre des perspectives significatives pour le développement futur et l'optimisation de la production de bioénergie au Québec. Une meilleure compréhension des facteurs qui influencent la faisabilité de la conversion de la biomasse forestière en énergie permet de concevoir des stratégies plus efficaces de gestion durable des forêts. En outre, ces connaissances pourraient contribuer au développement de technologies et de procédés plus efficaces pour la production de bioénergie à partir de la biomasse forestière, ce qui pourrait avoir un impact positif sur l'industrie énergétique du Québec et sur sa capacité à répondre à la demande croissante d'énergie d'une manière respectueuse de l'environnement. / The conversion of forest residues into bioenergy is a way of recovering and adding value to these residues and producing a renewable form of energy that can replace products of fossil origin. The aim of this project was to quantify the chemical and physical variability of forest residues of different decomposition classes and species harvested in six regions of Quebec. The residues studied consisted of tree parts (trunks or branches) left on cutblocks after the harvesting of wood for sawmills and pulp mills. Analysis of these data showed that variables such as species and region of origin explain some of the variability in wood chemical characteristics. These data are essential for assessing the potential of these residues for bioenergy production and for optimizing conversion processes. Understanding the differences between residues will enable us to identify the best strategies to transform them into bioenergy products through thermochemical or biochemical processes. This study of the physical and chemical characteristics of forest residues in Quebec offers significant perspectives for the future development and optimization of bioenergy production in Quebec. A better understanding of the factors influencing the feasibility of converting forest biomass into energy will enable us to design more effective strategies for sustainable forest management. Furthermore, this knowledge could contribute to the development of more efficient technologies and processes for the production of bioenergy from forest biomass, which could have a positive impact on Quebec's energy industry and its ability to meet the growing demand for energy in an environmentally friendly way.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008.

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This publication is the English version of the summary of the German report „Meilensteine 2030“ (THRÄN et al. 2015) which is published in the series of the funding programme “Biomass energy use”. The report describes elements and milestones for the development of a stable and sustainable bioenergy strategy.

In einer weitgehend auf erneuerbaren Energien fußenden Energieversorgung in Deutschland muss Bioenergie künftig die Lücken füllen, die nicht aus anderen Quellen gespeist werden können – diese These hat die Diskussion um Bioenergie im beginnenden 21. Jahrhundert stark bestimmt (BARZANTNY et al., 2009; KIRCHNER & MATTHES, 2009; SaCHVERSTÄNDIGENRAT FÜR UMWELTFRAGEN, 2011; SCHLESINGER et al., 2010, 2011). Dabei gibt es sowohl starke Argumente für den flexiblen Einsatz im Strombereich als auch für ausgewählte Kraftstoffpfade (z. B. Schwerlastverkehr, Schifffahrt, Flugverkehr), während im Wärmebereich Bioenergie als gut durch alternative erneuerbare Versorgungskonzepte ersetzbar gilt. Jedoch hat sich auch gezeigt, dass Biomasse zwar regenerativ, jedoch für den konkreten Zeitraum und unter Nachhaltigkeitsaspekten nur begrenzt verfügbar ist. Künftig wird erwartet, dass der Bedarf an Nahrungs- und Futtermitteln wie auch für die stoffliche Nutzung steigt. Damit wird eine Priorisierung der Einsatzbereiche für den weiteren Ausbau zunehmend notwendig (BMVBS, 2010; THRÄN et al., 2011; KOALITIONSVERTRAG, 2013; MAJER et al., 2013). Es herrscht Einigkeit, dass Bioenergienutzung im Einklang mit den Zielen der nachhaltigen Entwicklung stehen muss und insbesondere gegenüber der Ernährungssicherung nachrangig ist, dass die Nutzung zunehmend an den Erfordernissen des Energiesystems ausgerichtet sein müssen und dass nur bei stetiger Weiterentwicklung der Technologien ein angemessener Beitrag der Bioenergie erreicht werden kann. Auch scheint es sinnvoll, dass man – vor dem Hintergrund der vielfältigen aktuellen Entwicklungen im Bereich der regenerativen, nicht-biogenen Energietechnologien und Energieträger – Bioenergiestrategien favorisiert, die geringe Pfadabhängigkeiten aufweisen und z. B. Technologiekonzepte berücksichtigen, die sowohl im Strom- / Wärme-Bereich als auch im Kraftstoffsektor genutzt werden können.

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