Ce mémoire analyse les facteurs déterminants de l’utilisation de la biomasse verte en Afrique subsaharienne (ASS), particulièrement en Ouganda et en Éthiopie. Pour ce faire, l’étude se focalise sur l’aspect endogène du capital humain avec comme proxy l’éducation. En effet, la littérature existante occulte le caractère endogène de l’éducation qui pourrait biaiser les résultats. Les données utilisées proviennent des Enquêtes démographiques et sanitaires (EDS) 2015-2016 pour l’Ouganda, et 2008 pour l’Éthiopie. Afin d’éliminer tout biais lié à la non-prise en compte du caractère endogène de l’éducation, nous nous basons sur la variabilité de la participation à l’école introduite par la réforme au niveau du primaire dans ces deux pays. Nos résultats confirment la majorité des études empiriques en montrant que l’éducation a un effet positif sur le choix de la biomasse verte comme source d’énergie. Ces résultats rappellent l’importance de faire de l’éducation des filles un instrument de politique publique pour faire face aux enjeux climatiques en Afrique.

Cette étude porte sur la contribution des acteurs de la biomasse solide (BS) à la durabilité de la gestion de celle-ci en République démocratique du Congo (RDC). La problématique s'articule sur la question centrale suivante : la gestion de la biomasse solide peut-elle favoriser la durabilité de cette ressource énergétique en RDC? À cet égard, trois axes majeurs ont été étudiés pour cerner les facteurs susceptibles de compromettre ou de promouvoir la gestion durable de la BS en RDC : • Les facteurs qui agissent sur la filière de la BS concernant les aspects techniques, allant de la production à la carbonisation, au défournement, à la récolte, au transport et enfin à la commercialisation de ladite ressource en RDC; • Les facteurs liés aux aspects règlementaires concernant le cadre juridique appliqué à la BS en RDC; • Les facteurs en lien avec les aspects organisationnels, institutionnels et ceux de la gouvernance forestière en RDC. Les trois objectifs suivants permettent d'analyser la question de la durabilité de gestion de la biomasse solide :1. Réaliser le diagnostic du contexte et de la pratique de l'utilisation de la BS en RDC en vue de ressortir les facteurs qui contribuent aux forces et faiblesses de cette pratique. De ce fait, l'approche d'analyse stratégique « forces, faiblesses, opportunités, menaces » (FFOM ou SWOT en anglais) a aidé à déceler les maillons qui permettent de définir les conditions et les occasions favorisant les trois piliers du développement durable que sont l'environnement, le social et l'économie; 2. Évaluer le degré de durabilité d'utilisation de la BS actuelle. Cela a conduit à faire une analyse des cadres législatifs, règlementaires et normatifs, ainsi que des aspects organisationnels, institutionnels et modernes de la gestion de la BS en RDC. Par conséquent, une esquisse de la gouvernance de la BS en RDC a été proposée pour stimuler l'analyse des instruments qui traitent des questions de cadres juridiques et coutumiers susceptibles d'influencer ces normes; 3. Proposer des éléments d'amélioration du contexte, de la pratique et du respect de la réglementation de l'utilisation de la BS qui favorisent un modèle de la gestion participative de l'utilisation durable de cette énergie. Pour ce faire, l'étude présente les facteurs de la durabilité de la gestion de la bioénergie et leurs interrelations dans le but de mettre sur pied un modèle de gestion participative de la bioénergie permettant de répondre au développement durable de la BS en RDC. Au regard des axes clés énumérés, la nécessité de faire ressortir un modèle de réponses fiables et palpables avec à la clé la gestion et l'utilisation de la BS respectant les principes du développement durable s'avère indispensable en RDC. De ce fait, le modèle de table de concertation des acteurs de la BS en RDC est élaboré. / This thesis focuses on the contribution to the sustainability of the management of solid biomass (SB) in the Democratic Republic of Congo (DRC). This study revolves around the following central question: Can the management of solid biomass promote the sustainability of this energy resource in the DRC? Three major axes were studied to identify the factors likely to compromise or promote the sustainable management of SB in the DRC: • The factors acting on the SB sector focus on the related technical aspects, ranging from production, carbonization, excavation, harvesting, transport and to the marketing of this resource in the DRC; • Factors related to regulatory aspects concerning the legal framework applied to SB in the DRC; • The factors structuring the organizational and institutional aspects and those of forest governance in the DRC. The three following objectives were analyzed to answer the issue of the sustainability of solid biomass management: 1. Carry out the diagnosis of the context and practice of the use of SB in the DRC to highlight the factors that contribute to the strengths and weaknesses of this practice. The SWOT strategic analysis approach was used to identify the links that define the strengths, weaknesses, opportunities and threats for the three pillars of sustainable development that are environmental, social and economic. 2. Assess the level of sustainability of the actual use of SB with a focus on improving the factors of non-sustainability. This led to an analysis of the legislative, regulatory and normative frameworks, as well as the organizational, institutional and modern aspects of BS management in the DRC. An outline of SB governance in the DRC has been proposed to stimulate analysis of instruments addressing issues of legal frameworks and customary that influence these norms. 3. Propose elements for improving the context, practice, and compliance with the regulations for the use of SB that promote a participatory management model for the sustainable use of this energy source. To do this, the factors of the sustainability of bioenergy management and their interrelationships were presented with the aim of setting up a participatory bioenergy management model to respond to the development of SB in DRC. Regarding the key axes listed above, the need to develop and implement a model of reliable and tangible responses, with the management and use of SB thus respecting the principles of sustainable development, is essential in the DRC. As a result, the consultation table model for SB actors in the DRC is elaborated.

Une des barrières à l'adoption et au déploiement de la bioénergie est la complexité, réelle ou perçue, pour mettre en place des chaînes d'approvisionnement en biomasse. Les acteurs industriels qui désirent pénétrer et contribuer au marché de la bioénergie et aux chaînes d'approvisionnement peinent à avoir une vue d'ensemble claire pour prendre des décisions d'affaires même en présence d'une volonté politique certaine soutenant la bioénergie. Dans la présente étude, des entrevues semi-dirigées et un sondage ont permis de révéler que les principaux enjeux freinant le déploiement de la filière sont reliés aux distances de transport entre les sources de biomasse et les consommateurs, à l'intérêt du public face à cette alternative énergétique et à la demande pour la biomasse au Québec. Les pistes de solutions identifiées par les acteurs du milieu comprennent notamment des mesures de décentralisation des points de chute et des mesures de soutien financier aux producteurs de biomasse. À la lumière des enjeux soulevés, des modèles d'affaires basés sur des applications industrielles et sur le chauffage résidentiel, industriel, commercial et institutionnel ont été développés, incluant des alternatives de production de chaleur et de cogénération. Le déploiement de ces modèles d'affaires permettrait de fournir une solution aux pointes de consommation sur le réseau électrique québécois et d'atténuer les changements climatiques en substituant davantage d'énergies fossiles dans le nord-est américain. Le constat d'échec lié à la stagnation du développement de la filière de la biomasse depuis près de deux décennies au Québec démontre que ce développement ne peut pas être soutenu uniquement par l'entrepreneuriat privé. En considérant les actions étatiques des pays où la filière s'est concrètement développée, une intervention forte de l'État serait nécessaire pour engager ce développement au Québec. Sans cette intervention supplémentaire, les seuls modèles d'affaires qui semblent jouir d'un potentiel de croissance actuellement significatif correspondent aux brûleurs acéricoles/agricoles et aux procédés industriels. / One of the main barriers of the adoption and deployment of biomass is the complexity, real or perceived, of setting up biomass supply chains. Industrial players who wish to enter and contribute to the bioenergy market and supply chains struggle to have a clear overview to make business decisions even in the presence of a political will that supports bioenergy. As part of the current study, semi-directed interviews and a survey revealed that the main issues hampering the deployment of the sector are linked to transport distances between biomass sources and consumers, public interest in this energy alternative and demand for biomass in Quebec. The possible solutions identified by stakeholders in the sector include, among others, measures to decentralize drop-off points of raw materials and financial support for biomass producers. In the context of the identified issues, business models based on industrial applications and residential, industrial, commercial, and institutional heating will be presented including alternatives for heat production and cogeneration as well as deployment scenarios in urban centers in the province. In some of the business models, Hydro-Quebec's partnership in cogeneration projects would support the deployment of the biomass sector. Moreover, these business models would offer a solution regarding the future power supply issues for Hydro-Quebec and a solution to mitigate climate change by substituting more fossil fuels in north-eastern America. The observation of failure linked to the stagnant biomass sector for almost two decades in Quebec demonstrates that the sector cannot be supported solely by private entrepreneurship. Considering the actions of the state in the countries in which the development of the biomass sector has been successfully completed, strong state intervention would be necessary to initiate this development in Quebec. Without this additional intervention, the only business models that currently seem to enjoy significant growth potential correspond to maple/agricultural burners and industrial processes.

Il existe actuellement un intérêt marqué pour la combustion de biomasses agricoles au Québec. Cependant, la réglementation rend difficile la combustion de cultures lignocellulosiques en raison d'un manque de connaissances concernant les émissions. Ce projet a comme but de caractériser et de comparer les émissions de la combustion de biomasses agricoles (panic érigé, saule et fraction solide de lisier de porc) et forestières (mélange de bois d'épinette noir et de pin gris). Les particules des émissions ont été échantillonnées et les concentrations de CO₂, CO, CH₄, NO₂, NH₃, N₂O, SO₂ et HC1 ont été analysées par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier, puis transformées en émissions. L'analyse statistique démontre que les émissions des biomasses agricoles sont semblables à celles du bois pour plupart des composés émis (CO₂, CO, CH₄, NH₃, N₂O et HC1), cependant des différences significatives sont détectées pour le SO₂, le NO₂ et les particules (P<0,05).

Au cours de ce projet, il a été démontré qu’il était possible d’appliquer un procédé utilisant comme solvant du 2-MeTHF ainsi que du Nickel de Raney comme catalyseur afin de valoriser par hydroliquéfaction différentes formes de biomasse résiduelles. Dans un premier temps, ce procédé, résumé dans un premier article, s’est avéré efficace pour trois différentes sources de carbone : des déchets ménagers, des boues de station d’épuration et des microalgues. Malgré que la réaction soit affectée par le type de solvant ainsi que la température d’opération, il a été démontré que le 2-MeTHF (un solvant vert) pouvait remplacer la tétraline (un solvant de source fossile) pour l’hydroliquéfaction de ces différentes sources de carbone. L’hydroliquéfaction de ces biomasses a permis la production d’huiles à haute valeur énergétique, se comparant à celle d’un biocarburant. Dans un deuxième article, le même procédé (utilisant le même solvant et catalyseur) a été optimisé pour la liquéfaction d’une fraction de la biomasse lignocellulosique soit la fraction oligomérique issue de la dépolymérisation alcaline de la lignine. Une analyse complète de la liquéfaction d’oligomères d’induline, lignine provenant des liqueurs issus de l’industrie papetière, a révélé la production de trois fractions : une fraction gazeuse, une liquide (soluble dans l’hexane) et une solide (insoluble dans l’hexane). L’analyse élémentaire de la fraction solide a révélé une baisse massique de 15,4% d’oxygène et une augmentation massique de 1,4% d’hydrogène par rapport aux oligomères utilisés comme réactifs. Une chaleur massique (HHV) de 34,0 kJ/g a été mesurée par bombe calorimétrique pour la fraction solide. L’analyse par chromatographie en phase gazeuse couplée à un spectromètre de masse (GC-MS) de la fraction liquide a permis d’identifier la présence de nombreux monomères tel le 2-methoxy-phénol, de 4-éthylgaïacol et le crésol. Une HHV de 34,2 kJ/g a été mesurée par bombe calorimétrique de la fraction liquide. La fraction gazeuse était principalement constituée de méthane et de CO[indice inférieur 2].

Le monde agricole québécois a actuellement la volonté de mettre en place une filière biomasse pour la production de chaleur à la ferme. Toutefois, la législation sur la qualité de l’air du Québec ne permet pas de valoriser aisément des cultures énergétiques à cette fin. Dans la littérature, le manque de facteurs d’émission en lien avec la combustion de biomasses lignocellulosiques limite l’actualisation du règlement, plutôt contraignant dans le moment, pour répondre aux besoins du milieu. Par ailleurs, la variabilité des propriétés physico-chimiques des plantes agricoles rend le dossier encore plus complexe. Le présent projet visait donc à quantifier l’influence des caractéristiques (espèce, composition chimique, date de récolte, forme, etc.) des cultures dédiées ayant le meilleur potentiel de développement au Québec sur les émissions atmosphériques (particules et gaz) lors de la combustion à la ferme. Une revue critique de la littérature a d’abord ciblé, en plus du bois (référence), quatre biomasses agricoles d’intérêt : le saule à croissance rapide, le panic érigé, le miscanthus et l’alpiste roseau. Ces cultures pérennes ont ensuite été acquises de divers producteurs selon la forme du produit (copeaux, granules ou vrac) et sa date de récolte (automne ou printemps). Au total, 12 différentes biomasses ont été brûlées dans une chaudière multi-combustible de 29 kW au Laboratoire sur les énergies en agriculture durable (LEAD) de l’Institut de recherche et de développement en agroenvironnement (IRDA). Au cours de 36 essais expérimentaux (3 répétitions), les paramètres d’opération (masse du combustible, températures de la chambre, de l’effluent gazeux et de l’eau de l’échangeur de chaleur, débits des gaz et du fluide caloporteur, etc.) et les concentrations de 11 gaz (CO, CO[indice inférieur 2], CH[indice inférieur 4], N[indice inférieur 2]O, NO, NO[indice inférieur 2], NH[indice inférieur 3], SO[indice inférieur 2], HCl, H[indice inférieur 2]O et O[indice inférieur 2]) ont été mesurés en continu. Les matières particulaires ont aussi été échantillonnées pour chaque test de combustion à l’aide de la Méthode 5 de l’United States Environmental Protection Agency (USEPA). Au final, aucune des biomasses n’a respecté les valeurs limites de particules décrites par la règlementation environnementale québécoise avec le système de combustion utilisé. Des contraintes technologiques et la vaste gamme de biomasses sélectionnées ont compliqué l’ajustement des conditions optimales d’opération pour chaque combustible. Néanmoins, plusieurs tendances ont été soulevées. Le bois, étant donné ses faibles teneurs en éléments inorganiques, a produit moins de polluants que les plantes à vocation énergétique. Dans leur cas, leurs émissions particulaires et gazeuses ont généralement été proportionnelles à leurs contenus en azote, en soufre, en chlore, en métaux alcalins et en cendres. C’est ce qui explique que le lessivage causé par la fonte des neiges et subi par une culture récoltée au printemps ait entraîné une diminution importante des rejets atmosphériques. De plus, la granulation, qui permet en densifiant et en homogénéisant le produit de mieux contrôler le procédé, a engendré une baisse des composés issus d’une combustion incomplète. L’analyse de l’impact des propriétés physico-chimiques des cultures sur les émissions lors de la combustion a mené à l’établissement d’un cadre potentiel de certification de la qualité de la biomasse agricole. Un modèle de prédiction de la composition des gaz, basé sur la notion d’équilibre thermodynamique et la minimisation de l’énergie libre de Gibbs, a également été développé pour estimer rapidement les rejets de combustion de toute biomasse et ainsi faciliter son classement à l’intérieur du cadre proposé.

La possibilité de produire un gaz combustible (syngaz) à partir des composés carbonés outre que le charbon et le pétrole permettrait aux pays pauvres en ressources énergétiques de se diriger vers une indépendance énergétique.La vapogazéification est un procédé qui permet de produire un gaz riche en hydrogène à partir des matériaux carbonés (par exemple le char de biomasse) et de la vapeur d’eau. Etant donné que la gazéification est un processus endothermique, la source d’énergie est le premier souci à résoudre. Si l’on ne veut pas contribuer au réchauffement de la planète, la source d’énergie et de carbone doivent rester renouvelables. Jusqu’à présent, les ingénieurs concevaient les gazéifieurs en pensant à une uniformité des propriétés à l’intérieur du réacteur, cela simplifie la modélisation et le contrôle des variables, cependant, avec les sources de chaleur innovantes et la possibilité de n’utiliser que de la vapeur d’eau pour la gazéification, on peut conclure qu’un gradient de températures améliore la production d’hydrogène. Les nouvelles technologies de gazéification nécessitent donc une compréhension des phénomènes de transfert afin d’être améliorées et optimisées. Trois types de réacteurs ont modélisés dans le cadre de cette thèse, il est mis en évidence qu’il existe un manque de critères solides à l’heure de choisir le dispositif réactionnel le plus adéquat selon les ressources disponibles. La théorie du gradient de température est conçue à partir des principaux résultats de cette thèse et s’intéresse à la création d’un outil simple à utiliser pour que l’ingénieur puisse prendre des décisions qui aident à améliorer la production de gaz combustible. / The possibility of producing syngas from carbon compounds other than coal or oil would allow countries lacking energy resources to move toward energy independence. The steam gasification is a process that could help to this predisposition, producing a hydrogen-rich gas from carbon-rich materials (e.g. biomass char) and steam. Since gasification is an endothermic process, the energy source is the first concern to be addressed in the gasifierdesign. If we want it to not contribute to global warming, the energy source and carbon must remain renewable.Until now, engineers designed gasifiers thinking about uniformity of properties within the reactor, it simplifies the variables modeling and control, however, with innovative heat sources and the possibility to use only steamfor gasification, it can be concluded that a temperature gradient enhances the hydrogen production, thus the syngas quality is improved. The new gasification technologies therefore require the understanding of transport phenomena to apply this advantage in order to improve the syngas production and quality. Three reactor typesare modeled as part of this work, it is shown that there is a lack of firm criteria to choose the reaction device according to the resources, consequently, the reactors performance could be diminished if the energy source is not properly used. The theory of the temperature gradient is built based on the main results and it is a simple toolto help the engineer to make decisions that will improve the fuel gas production.

La croissance démographique mondiale, associée à une augmentation générale du niveau de vie, se traduit par l'explosion des besoins en matières premières et énergie. Afin de relever ce défi, une attention accrue est accordée aux énergies et ressources naturelles renouvelables. Parmi elles, la biomasse est particulièrement prometteuse. Elle présente des avantages certains (abondance, répartition homogène) mais aussi plusieurs inconvénients (faible densité énergétique, humidité élevée,…). Pour surmonter ces difficultés, la torréfaction est la méthode la plus connue, mais elle induit une augmentation des taux de cendres et une perte de matière. La carbonisation hydrothermale (HTC) est une alternative possible. L'objet de cette thèse est l'étude de la HTC comme moyen de bonifier la biomasse lignocellulosique. Trois axes principaux ont été considérés: augmentation de la densité énergétique, récupération de molécules, et minéraux d'intérêt. L'étude porte d'abord sur la HTC de systèmes moléculaires représentatifs de ceux présents dans le bois. Le hêtre a été étudié comme biomasse modèle, permettant de déterminer des conditions expérimentales optimales, appliquées ensuite à diverses biomasses. Enfin d'autres méthodes d'activation ont été testées telles que les micro-ondes et les fluides supercritiques. Les hydrochars obtenus après HTC présentent une diminution concomitante des ratios atomiques H/C et O/C. La phase liquide contient différentes molécules d'intérêt (furfural,…). Enfin, les teneurs en cendres diminuent après HTC du fait d'une lixiviation partielle de certains éléments (alcalins et alcalino-terreux). En conclusion, la HTC semble être une alternative intéressante à la torréfaction ; elle permet la production d'hydrochars avec des teneurs élémentaires adaptées à une utilisation en gazéification et la récupération de molécules et minéraux. L'intérêt et la faisabilité technique ont été démontrés en particulier sur des biomasses humides (plantes agricoles) ou polluées (broyats de déchetterie). / Population growth, coupled with a general increase in standard of living, result in a booming demand for raw material and energy. To face this challenge, an increased attention is paid to the use of renewable energies and natural resources. Among them, biomass is especially promising. Its advantages (abundance, distribution all over the Earth) are balanced by several drawbacks (low energy density, high moisture content,…). To overcome these problems, torrefaction is the most traditional way, but it has some inconveniences (increased ash content, loss of material). Hydrothermal carbonisation (HTC) is a possible alternative. The purpose of this thesis is the study of HTC a means to beneficiate the lignocellulosic biomass. Three main aims were identified: increase of the energy density, recover molecules and minerals of interest. The study initially focused on HTC of molecular model systems present in wood. Beech wood was also studied, as a model biomass. This study allowed determining optimal experimental conditions for treatment of further biomasses. Finally, other activation methods have been tested, such as microwaves, and supercritical fluids. Hydrochars obtained after HTC feature a concomitant decrease of the atomic H/C and O/C ratios. Liquid phase contains different molecules of interest (furfural,…). Finally, ash content decreases after HTC owing to a partial leaching of some elements (alkali and alkaline earth metals). In conclusion, HTC seems to be an interesting alternative to torrefaction as it allows for the production of hydrochars suitable for gasification, and the recovery of molecules and minerals of interest. The interest and technical feasibility have been demonstrated in particular for biomasses with high moisture (agricultural crops) or with high pollutant contents (grounds of waste disposal).

L’extrusion biocatalytique, ou bioextrusion, est une technique d’extrusion réactive utilisant des enzymes comme catalyseurs. Cette technique est considérée en temps qu’étape intermédiaire, subséquente au prétraitement physico-chimique et précédente à l’hydrolyse enzymatique enréacteur fermé. L’utilisation de l’extrusion permet un procédé continu, facilement modulable et adaptable à des conditions de hautes consistances, de nombreuses biomasses et facilement transférable à l’échelle industrielle. Néanmoins, les données bibliographiques font ressortir la complexité des entrants et leurs interactions lors de la bioextrusion de biomasses lignocellulosiques. Les conclusions des bioextrusions de biomasses amidonnées soulignent l’importance de l’étude de l’influence de la concentration en substrat et en enzymes. Les résultats obtenus à partir de la bioextrusion des biomasses lignocellulosiques valident l’existence d’une activité enzymatique en extrudeuse malgré la contrainte thermomécanique et le temps de séjour limité. Lors de cette étape, l’hydrolyse de la fraction cellulosique est favorisée pour des milieux concentrés en substrat et en enzymes. Des modifications significatives des fractions cellulosiques cristallines et amorphes en surface, des réductions des tailles de particules, une dégradation visuelle des structures de la biomasse et l’augmentation de la sensibilité à la décomposition thermique, sont aussi observées sur la fraction solide. L’hydrolyse enzymatique des bioextrudats est prolongée en réacteur fermé. La bioextrusion permet des améliorations significatives des taux et vitesses de conversion des sucres sur le long terme, jusqu’à 48 h. Les gains observés sont relativement constants pour la paille de blé et augmentent avec le temps pour les écorces de bouleau et les résidus de maïs. Post-extrusion, la concentration en substrat influence négativement la conversion des sucres. Cependant, les plus-values de conversion du glucose lié à la bioextrusion de paille de blé sont principalement observables pour des concentrations en substrat et en enzymes élevées. À partir de 4 h, des baisses significatives de la conversion du xylose sont observées après bioextrusion. Les déstructurations de la fraction solide, déjà observées au cours la bioextrusion, se poursuivent en réacteur fermé. Les meilleurs résultats hydrolytiques aux niveaux des hautes charges en enzymes et en substrat sont associables aux bonnes conditions de mélanges caractéristiques des éléments bilobes. L’ensemble enzymatique est probablement réparti de façon plus homogène (mélange distributif) pour cibler plus de sites disponibles. De plus, le mélangé dispersif limite la proximité entre enzymes de même type et les gênes associées. Le procédé d’extrusion permet une agitation efficace, un bon transfert de masse et probablement un meilleur contact entre enzymes et substrat. Les moins bons résultats de conversion du xylose sont probablement à relier à des phénomènes d’adsorption non-spécifique, ou encore de désactivation des hémicellulases, provoqués par l’intensité des contraintes thermomécaniques et les résidus ligneux. Les bons résultats de déstructuration après bioextrusionsont associables à une action synergétique des contraintes mécanique et biochimique. Les analyses d’autofluorescence montrent l’évolution de la fraction ligneuse dans le processus de déconstruction de la fraction solide. Une production progressive de particules très fines,visiblement associée à la fraction ligneuse, est observée. Des complexes lignine-carbohydratessont aussi détectés dans la fraction liquide. Etant peu, voire pas hydrolysable par voie enzymatique, ces fractions hétéropolymériques sont un frein à la déconstruction. Si la déstructuration des lignines est probablement majoritairement liée au prétraitement alcalin, le procédé de bioextrusion provoque une diminution de la teneur en hétéropolymères de plus hautes masses moléculaires.

Zugl.: Karlsruhe, Universiẗat, Diss., 2007.