Alors que le troisième millénaire vient à peine de commencer, il devient de plus en plus évident que les comportements humains ont des impacts directs et indirects sur le système climatique terrestre. Face à ce constat, l'objectif prioritaire est d'améliorer les simulations numériques des modifications futures du climat et de leurs conséquences. Une partie de la réponse se trouve dans l'exploration du passé. <br /><br />L'air extrait des glaces polaires du Groenland et de l'Antarctique constitue un véritable témoin des évolutions passées de l'atmosphère de notre planète. L'exploitation des données issues des carottes de glace a mis en évidence une forte corrélation entre les teneurs atmosphériques en gaz à effet de serre (CO2, CH4, N2O) et la température depuis des centaines de milliers d'années. Ces études ont par ailleurs révélé que les concentrations élevées en gaz à effet de serre aujourd'hui n'ont pas d'équivalent sur les derniers 650'000 ans, dans la limite de résolution des analyses. Enfin, elles offrent l'opportunité de mieux comprendre le lien entre climat et cycles biogéochimiques, responsable des variations passées de ces gaz et susceptible de rétroagir sur le climat futur. <br /><br />Ce travail de thèse a consisté dans un premier temps à analyser à haute résolution temporelle le méthane piégé dans les bulles d'air des récents forages antarctiques EPICA, à Dôme C et à Dronning Maud Land. Ces analyses nous ont permis ensuite (i) de conceptualiser les causes du lien méthane/climat au cours des derniers 800'000 ans et (ii) d'améliorer la chronologie des gaz piégés dans la glace, tout en discutant la séquence des événements climatiques entre les deux hémisphères.<br /><br />Nous concluons que la modulation à basse fréquence des niveaux de méthane est probablement liée à la variabilité de la mousson asiatique et au déplacement de la zone de convergence intertropicale. A cette modulation se superpose l'apport des zones humides des hautes latitudes lors des transitions glaciaires-interglaciaires. A l'échelle millénaire, au cours des huit dernières périodes glaciaires, nous montrons l'omniprésence d'une variabilité climatique rapide et la persistance probable d'un mécanisme de bascule bipolaire, redistribuant l'énergie entre les deux pôles et au sein des forages antarctiques. <br /><br />Le calcul de la différence d'âge entre les bulles d'air et la glace environnante (delta âge) est entaché de larges erreurs pour les conditions climatiques passées. Grâce à la synchronisation des signaux de méthane entre les carottes EPICA, et en utilisant l'anomalie de béryllium-10 associé à l'événement géomagnétique de Laschamp, nous avons pu ré-évaluer ce delta âge et montrer une forte surestimation par le modèle de densification du névé pendant la dernière période glaciaire. Ceci nous conduit à réviser à la baisse le retard du dioxyde de carbone sur la température antarctique en début de transition glaciaire-interglaciaire. Les causes exactes de cette surestimation du delta âge en conditions glaciaires restent indéterminées au terme de la thèse ; mais elles impliquent très probablement à la fois les incertitudes sur les paramètres climatiques d'entrée du modèle (température, accumulation) et la physique de la densification du névé en conditions glaciaires.

Résumé Le Rift Est-Africain comprend plusieurs grands lacs, dont le lac Kivu situé entre 1°34’ et 2°30’ de latitude Sud et compris entre 28°50’ et 29°23’ de longitude Est. Ce lac, localisé au nord-ouest du Rwanda à la frontière avec la République Démocratique du Congo, présente une spécificité unique au monde: ses eaux profondes contiennent une gigantesque quantité de gaz dissous (3/4 de dioxyde de carbone (CO2), 1/4 de gaz méthane (CH4)). Les études antérieures indiquent que les eaux du lac Kivu présentent une structure stratifiée particulière qui se décline en 13 couches dans le bassin principal. Nous avons établi une nouvelle stratification, en quatre couches de la colonne d’eau dans ce bassin sur base des données physico-chimiques mais aussi, en tenant compte tout particulièrement du comportement biogéochimique du carbone. Cette structure simplifiée permettra une meilleure évaluation de l’impact environnemental et une gestion durable de l’exploitation du gisement de gaz méthane du lac Kivu. Un suivi détaillé de plusieurs paramètres physico-chimiques, biogéochimiques ainsi que des éléments majeurs, mineurs et en trace, présents dans le bassin principal du lac, dans sa partie rwandaise en un point fixe au large de Kibuye, durant la petite saison sèche, apporte un éclairage plus précis de leur distribution dans la colonne d’eau. Une étude de la variation spatio-temporelle de ces paramètres est réalisée aussi bien à Kibuye qu’à Gisenyi et ce durant les différentes saisons pour, entre autres, servir de base de données nécessaire à toute comparaison ultérieure. L’origine des gaz dissous dans le lac Kivu a fait l’objet de plusieurs études et hypothèses. Les deux principaux gaz dissous du lac ont un élément biogéochimique en commun: le carbone. Par des mesures isotopiques et par comparaison avec le système limnologique du lac Tanganyika voisin, la correspondance de l’allure générale de la distribution comparée du carbone inorganique dissous (DIC), de l’alcalinité totale et du δ13CDIC dans les deux lacs indique notamment que les processus à l’origine du gaz méthane du lac Kivu ne sont pas liés au magmatisme, ni à des phénomènes thermocatalytiques. Nous pensons que le carbone, et par conséquent le gaz méthane du lac Kivu, est d’origine phytoplanctonique. L’explication par une étude hydrogéologique et pédologique de l’origine de la stratification pérenne de la colonne d’eau du lac Kivu constitue un point de vue intéressant. Une autre perspective serait, celle visant à établir par des données biogéochimiques, le taux de régénération du gaz méthane du lac Kivu afin d’en déterminer la durée d’exploitabilité réelle.

Lors de la combustion dans un moteur à allumage commandé, la flamme est affectée par la paroi alors que seulement 20% de la charge a été consommée. Il est donc indispensable de s'intéresser aux mécanismes de l'interaction flamme-paroi pour le développement et l'amélioration des moteurs à allumage commandé. Au cours de ces travaux, l'interaction flamme-paroi instationnaire a été étudiée expérimentalement en régime laminaire et turbulent dans des conditions initiales non isothermes. En effet, la température des parois Tw varie entre 300 et 500 K alors que les gaz frais sont à température ambiante. Le but de cette étude est de comprendre les phénomènes mis en jeu et de fournir des données de référence pour la simulation de l'interaction flamme-paroi. L'étude en régime laminaire montre que la densité de flux thermique pariétal maximale qwmax augmente avec Tw pour le coincement frontal et latéral. La distance de coincement diminue lorsque Tw augmente en coincement frontal mais est constante en latéral. Pour ce dernier type de coincement, l'étirement n'est pas négligeable. L'étude en régime turbulent montre que la turbulence fait diminuer qwmax à richesse 1 par rapport au cas laminaire alors qu'elle fait augmenter ce paramètre à richesse 0,7. Le front de flamme est donc cisaillé par l'écoulement des gaz frais à richesse 1 alors qu'il est convecté par cet écoulement à richesse 0,7. Le cisaillement du front de flamme, à richesse 1, a un effet prépondérant sur l'effet de la température de paroi concernant l'interaction flamme-paroi.

Les matériaux d'anode pour pile à combustible haute température (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) doivent répondre à un important cahier des charges. L'exigence d'une alimentation directe sous méthane (sans reformage en amont) rajoute des contraintes de fonctionnement au niveau de l'activation catalytique du gaz et le risque de formation de coke. Avec pour objectif la recherche du matériau idéal, l'influence de la dimensionnalité de la structure sur les propriétés catalytiques et électrochimiques a été étudiée. Après synthèse par voie sol-gel de type Pechini et caractérisation structurale par diffraction des rayons X, diffraction des neutrons et diffraction électronique, l'activation catalytique du méthane a été mesurée en condition de vaporeformage (CH4:H2O=10:1). Des mesures de conductivité électrique en température et sous faible pression partielle d'oxygène ont complété cette étude avant d'évaluer l'activité électrochimique en température et sous H2(97%)/H2O(3%) par spectroscopie d'impédance complexe sur cellules à électrodes symétriques ou sur cellule complète, avec ou sans imposition de courant. Parmi l'ensemble des composés testés, le meilleur candidat retenu est le membre x=0.80 de la série LaxSr1-xTiO3+δ, composé lamellaire découlant d'une organisation à long ordre de l'oxygène sur- stoechiométrique présent au sein de la structure. Bien que relativement faible par rapport à certains composés 3D (de l'ordre de 10-2 S.cm-1 à 1073K sous Ar/H2(2%)), sa conductivité électrique ne s'avère pas rédhibitoire, étant compensée par une forte activité catalytique et électrochimique.

À la limite écotonale de la toundra forestière et de la pessière à lichen, une hausse des conditions d'humidité enregistrée depuis le Petit Âge Glaciaire a causé un rehaussement de la nappe phréatique régionale. Dans les fens structurés de la région, cette hausse de la nappe phréatique a entraîné une dégradation progressive des buttes et des lanières qui séparent les mares permettant alors la fusion de ces dernières par coalescence. Il résulte de ce phénomène une augmentation de la superficie couverte par les mares au détriment des portions terrestres des tourbières favorisant le maintien de biotopes caractérisés par une nappe phréatique affleurante. Dans une tourbières de la région de Laforge (Abeille), nous avons mesuré les flux de méthane (CH4), dioxyde de carbone (C02) et carbone organique dissout (DOC) afin de déterminer l'influence d'une nappe phréatique affleurante et d'une importante proportion de mare sur le bilan annuel du carbone. 83% de la tourbière à l'étude est soit couverte par les mares (42%), les dépressions (28%) et lanières (13%) et présente une nappe phréatique en moyenne supérieure à 7 cm sous la surface. Les flux de CO2 et de CH4 ont été mesurés le long d'un gradient microtopographique durant les saisons de croissance de 2009 et 2010 et les flux de DOC ont été mesurés à l'exutoire de la tourbière en 2010. L'identification des contrôles environnementaux a permis la modélisation du budget annuel de carbone de la tourbière Abeille. La tourbière à l'étude a été une source de carbone durant les deux années échantillonnées. Trois variables permettent d'expliquer ce phénomène : la durée de la saison froide, les conditions météorologiques durant la saison de croissance et le ratio mare/portion terrestre. Les flux hivernaux sont de faible envergure et la photosynthèse est inhibée en sol gelé. Ainsi, la saison froide représente 210-214 jours d'émissions nettes de CO2 et de CH4 vers l'atmosphère et joue un rôle important dans le budget annuel. Durant la saison de croissance, nous avons observé que des conditions chaudes et sèches diminuent la capacité de la végétation à effectuer la photosynthèse tout en augmentant le taux de respiration qui contrebalance alors l'absorption de CO2. La tourbière peut toutefois représenter un puits de carbone en conditions humides et chaudes puisque la photosynthèse est plus importante que la respiration. Les portions aquatiques sont également une importante source de carbone. Elles émettent en moyenne 5 fois plus de méthane que les compartiments terrestres et représentent 80% du budget annuel de méthane extrapolé spatialement. La respiration mesurée dans les mares est similaire à celle mesurée en milieu terrestre mais les flux sont unidirectionnels. Ainsi, les flux en provenance des mares représentent 57-60% du budget annuel de CO2 extrapolé spatialement. Enfin, les tourbières aqualysées représentent une source de carbone dont la magnitude est déterminée par les conditions météorologiques durant la saison de croissance. Une projection du bilan futur de carbone pourra être effectuée à partir de scénarios climatiques issus du Modèle Régional Canadien du Climat (MRCC). ______________________________________________________________________________

Le syngas est un mélange gazeux de CO et H2 qui constitue un intermédiaire important dans l'industrie pétrochimique. Plusieurs approches sont utilisées pour le produire. L'oxydation partielle non catalytique (POX) et le reformage à la vapeur (SMR) en font partie. Le reformage auto thermique du méthane (ATR) combine quant à lui ces deux procédés au sein d'un même réacteur. L'amélioration du rendement global du procédé ATR requiert une meilleure caractérisation du comportement des gaz au sein de la chambre. La simulation numérique apparaît comme un outil efficace pour y parvenir. Pour réduire le coût CPU, c'est généralement l'approche RANS (Reynolds Average Numerical Simulation) qui est privilégiée pour la simulation complète de la chambre. Cette approche repose sur l'utilisation de modèles, parmi lesquels le modèle de combustion turbulente, qui a pour objectif de représenter les interactions entre la turbulence et la réaction chimique au sein du mélange. Plusieurs stratégies ont été proposées pour le calculer, qui bénéficient globalement d'une large expérience pour les systèmes classiques mettant en jeu la combustion. Cependant, les flammes observées dans les réacteurs ATR présentent des propriétés assez différentes de ces configurations classiques. La validité des modèles de combustion turbulente classiques doit donc y être vérifiée. L'objectif de cette thèse est de répondre à ce besoin, en testant la validité de différents modèles de combustion turbulente. La première partie du travail a consisté à analyser les propriétés des flammes CH4/O2 enrichies en vapeur d'eau à haute pression, et a notamment permis le développement d'une méthode d'évaluation des temps caractéristiques d'un système chimique. Dans un deuxième temps, une expérience numérique à l'aide d'un code DNS a été réalisée, afin de servir de référence pour tester a priori sur des configurations ATR plusieurs modèles RANS de combustion turbulente couramment utilisés dans le milieu industriel.

Les rivières et ruisseaux, particulièrement dans la zone boréale, sont reconnus comme étant des sources importantes de dioxyde de carbone (CO2) vers l'atmosphère. Toutefois, leur contribution aux émissions de méthane (CH4) a été peu explorée et la sensibilité de ces émissions fluviales de gaz à effet de serre (GES) face aux changements climatiques n'a pas encore été déterminée. Dans cette étude, nous quantifions les émissions fluviales de CO2 et de CH4 à l'échelle régionale dans deux régions de la plaine boréale québécoise. Nous explorons par la suite la réaction potentielle de ces émissions face à divers scénarios prédits de changements climatiques. Toutes les rivières étaient largement sursaturées en CO2 (de 1.5 à 33 fois) et en CH4 (de 13 à 16 000 fois) par rapport à l'atmosphère et les émissions de CH4 contribuaient à 33% des émissions annuelles de GES. Des modèles empiriques régionaux ont par la suite démontré que l'augmentation prédite de température et de vélocité de l'eau, ainsi que de la concentration en carbone organique dissout (COD), pourront mener à une augmentation significative des émissions fluviale de GES, principalement causée par une hausse marquée des émissions de CH4. Contrairement aux paradigmes actuels, nous avons démontré que les réseaux fluviaux de la zone boréale agissent comme des sources importantes de CH4 vers l'atmosphère, lesquelles risquent d'être amplifiées sous l'effet du réchauffement climatique global. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Dioxyde de carbone, méthane, gaz à effets de serre, concentration, flux, émission, rivières, ruisseaux, réseaux fluviaux, réchauffement et changements climatiques.

Abstract: The piggery industry is very important in Canada, but localized production of large quantities of swine slurry causes severe environmental problems such as aquatic pollution and emissions of methane, a potent greenhouse gas. There are many technologies that can reduce the impact of these issues, but biofiltration is the only viable process that can treat both pollutants. The main objectives of this thesis are to study the biofiltration of methane at concentrations representative of the piggery industry and to achieve the simultaneous treatment of methane and swine slurry with a single biofilter. Laboratory-scale experiments were used to better understand the biofiltration of methane from the piggery industry. Using an inorganic filter bed, it was possible to reach a maximum elimination capacity of 14.5 ± 0.6 g·m -3 ·h-1 for an inlet load of 38 ± 1 g·m -3 ·h-1 . The removal efficiency was relatively stable with the methane concentration and the biofilter satisfied first order kinetics. By decreasing the nitrate concentration in the nutrient solution, a concentration of 0.1 gN·L-1 proved to be sufficient for proper biofilter operation. Furthermore, once all inorganic sources of nitrogen were removed, the presence of microorganisms capable of fixing atmospheric nitrogen was established. Carbon and nitrogen mass balances suggested that the carbon accumulated within the biofilter was probably used for the production of storage compounds rather than for cell synthesis. The viability of simultaneously treating methane and swine slurry was demonstrated by using an innovative biofilter design to overcome the inhibition of methane biodegradation by swine slurry. Although generally less efficient than the biofiltration of methane alone, an elimination capacity for methane of 18.8 ± 1.0 g·m -3 ·h-1 was obtained with this system at an inlet load of 46.7 ± 0.9 g·m -3 ·h-1 . Pure fungal strains were used in an attempt to improve performance, but no significant increase in the methane removal efficiency was observed. For swine slurry treatment, average removal efficiencies of 67 ± 10 % for total organic carbon and 70 ± 7 % for ammonium were achieved. The influence of the slurry supply was analyzed and the ideal supply method found in this study was 6 doses of 50 ml per day. Pilot-scale tests carried out directly on a pig farm were used to validate the results obtained in the laboratory for the treatment of methane from swine house ventilation air. After a start-up period of 30 days, removal efficiencies up to 83% were observed for a methane inlet load of 1.6 ± 0.8 g·m -3 ·h-1 . Treated swine slurry was tested as a replacement for the synthetic nutrient solution, but due to inhibitory compounds in the treated slurry, the results were not satisfactory. For the simultaneous treatment, the methane removal efficiency only dropped from 58 ± 5% to 53 ± 8% when slurry was supplied to the biofilter. By integrating the results obtained in this study with modern farming techniques, the piggery industry could reduce its greenhouse gas emissions and treat part of the nutrients in swine slurry.||Résumé: L'industrie porcine est très importante au Canada, mais les conditions d'entreposage et l'épandage excessif du lisier de porc contribuent respectivement aux émissions de méthane, un puissant gaz à effet de serre, et à la pollution de l'eau. II existe de nombreuses techniques pour atténuer ces problématiques, mais le procédé de biofiltration s'impose comme étant capable de traiter le méthane et le lisier. Les objectifs principaux de cette thèse sont d'étudier la biofiltration du méthane à des concentrations représentatives de l'industrie porcine et d'effectuer le traitement simultané du méthane et du lisier de porc dans un même biofiltre. Des essais expérimentaux à l'échelle laboratoire ont permis de mieux comprendre la biofiltration du méthane issu de l'industrie porcine. En utilisant un lit filtrant inorganique, il a été possible d'atteindre une capacité d'élimination maximale de 14,5 ± 0.6 g[indice supérieur .]m[indices supérieurs -3.]h[indices supérieurs -1] pour une charge à l'entrée de 38 ± 1 g[indice supérieur .]m[indices supérieurs -3.]h[indices supérieurs -1]. L'efficacité d'enlèvement était relativement stable en fonction de la concentration de méthane et le biofiltre présentait une cinétique de premier ordre. En diminuant la concentration de nitrate dans la solution nutritive, une concentration de 0,1 gN[indice supérieur .]L[indice supérieur -1] s'est avérée suffisante pour assurer l'opération adéquate du biofiltre. De plus, en éliminant tout apport d'azote inorganique, la présence de microorganismes capables de fixer l'azote atmosphérique a été établie. Des bilans de masse sur le carbone et l'azote ont illustré que le carbone accumulé dans le biofiltre était utilisé pour la production de matières de stockage plutôt que pour la synthèse cellulaire. La viabilité de traiter simultanément le méthane et le lisier a été démontrée en utilisant un design innovateur de biofiltre pour éviter l'inhibition de la biodégradation du méthane par le lisier. Quoique généralement moins performant que la biofiltration du méthane seul, ce système a permis d'obtenir une capacité d'élimination de méthane de 18.8 ± 1.0 g[indice supérieur 1]m[indices supérieurs -3.]h[indices supérieurs -1] pour une charge de 46.7 ± 0.9 g[indice supérieur .]m[indices supérieurs -3.]h[indices supérieurs -1]. Des souches pures de champignons ont été utilisées afin d'améliorer la performance, mais aucun effet significatif n'a été observé. Pour le traitement du lisier de porc, des taux d'enlèvement moyens de 67 ± 10 % pour le carbone organique total et de 70 ± 7 % pour l'ammonium ont été obtenus. L'influence de l'alimentation en lisier a été analysée et le mode d'alimentation idéal fut de 6 doses de 50 ml par jour. Des essais à l'échelle pilote effectués directement sur une ferme porcine ont permis de valider les résultats obtenus au laboratoire pour le traitement du méthane dans l'air de ventilation d'un bâtiment d'élevage. Après une phase de démarrage de 30 jours, des efficacités d'épuration jusqu'à 83% ont été observées pour une charge de méthane à l'entrée de 1.6 ± 0.8 g[indice supérieur .]m[indices supérieurs -3.]h[indices supérieurs -1]. Du lisier de porc traité a été testé pour remplacer la solution nutritive synthétique, mais dû à la présence de composés inhibiteurs dans le lisier traité, les résultats obtenus n'étaient pas satisfaisants. Pour le traitement simultané, l'efficacité d'épuration du méthane a seulement diminué de 58 ± 5% a 53 ± 8 % lorsque le lisier a été alimenté au biofiltre. En intégrant les résultats de cette étude aux techniques agricoles modernes, l'industrie porcine pourrait réduire ses émissions de gaz à effet de serre et traiter une partie des nutriments du lisier de porc.

Ce travail a porté sur la conversion du méthane en hydrogène par les procédés de vaporeformage et reformage à sec, utilisant de nouvelles formulations de catalyseurs afins d'augmenter la sélectivité en produit désiré (H₂), de réduire la production du monoxyde de carbone (CO) et défavoriser la formation de coke. Deux familles de catalyseurs, à base de nickel et de ruthénium supportés par la cérine et/ou l'alumine, ont été évaluées dans ces réactions. Il a été montré que les catalyseurs à base de ruthénium supportés par l'alumine présente une bonne activité catalytique et une très bonne résistance au dépôt de coke dans les réactions de reformage du méthane. La cérine joue un rôle déterminant dans les catalyseurs à base de nickel en favorisant la dispersion de la phase active et évitant la formation des agglomérats. Parallèlement, une inhibition de la formation de coke est observée grâce aux propriétés redox du solide. Les travaux ont porté également sur l'amélioration de la formulation des catalyseurs monométalliques, et un catalyseur bimétallique (Ru-Ni/CeO₂-Al₂O₃) actif, sélectif et stable pour la production d'hydrogène à partir du méthane a été mis au point. L'ajout d'un deuxième métal en faible teneur (0,5%) aide à maintenir le Ni sous sa forme actif empêchant la formation de coke sur la surface du catalyseur. Pour les deux réactions étudiées, les excellentes performances obtenues proviennent essentiellement de l'ajustement des paramètres de réaction et les paramètres de préparation des catalyseurs, ce qui ouvre de réelles perspectives d'application industrielle.

La mise au point d'une cellule de SOFC haute performance de configuration anode support pour un fonctionnement sous méthane pur nécessite l'élaboration d'un film mince d'électrolyte et le développement d'une architecture innovante permettant le reformage d'hydrocarbures. La première partie du travail a consisté en l'élaboration de films minces d'électrolyte de zircone stabilisée à l'oxyde d'yttrium par atomisation électrostatique sur un substrat composite poreux NiO-8YSZ. Cette technique originale a permis l'obtention de films minces, denses et étanches à partir d'une suspension, présentant des propriétés électriques comparables à celles d'un échantillon massif de même composition. La seconde partie du travail a porté sur la mise au point d'une cellule de SOFC optimisée dont l'architecture innovante intégrant une membrane anodique catalytique est basée sur le concept associant le reformage interne progressif et le découplage électro-catalytique. Une séquence d'élaboration établie spécifiquement conditionne l'assemblage des éléments optimisés de la cellule. L'adaptation de la cellule dans un banc de mesures a permis la réalisation de tests électrochimiques sous hydrogène et méthane à haute température. Le fonctionnement stable du dispositif pendant plus de 1000 h sous méthane pur avec un taux d'utilisation optimisé, sans apport extérieur d'eau et sans dépôt de carbone a validé le concept étudié.