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.

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.