L'objectif de la thèse a été l'étude de l'hybridation d'un groupe électrogène à pile à combustible (GE à PAC) dans le cas d'une application embarquée. Une partie importante du travail a consisté à tester en simulation diverses architectures de sources hybrides GE à PAC/superconducteurs. Plusieurs modèles ont été mis au point et utilisés suivant l'objectif envisagé. Le modèle du GE à PAC quasi-statique permet de prédire de manière rapide et qualitative les grandeurs électriques mises en jeu dans la chaîne sur des profils de mission temps - vitesse avec des stratégies de gestion de l'énergie plus ou moins complexes ; un modèle dynamique plus élaboré a été introduit pour étudier certains phénomènes transitoires. Une étude expérimentale met en oeuvre le concept d'hybridation de GE à PAC. Le démonstrateur réalisé doit permettre la validation des modèles et des stratégies de gestion de l'énergie élaborés dans la première partie du travail. Il constitue aussi un dispositif médiatique.

Soils, like several other materials, exhibit strong time-dependent behaviour which can be evidenced in terms of creep or strain-rate effects. The degree of this rheological behaviour varies with the type of soil, its structure, and with the stress history. This effect is exacerbated in pile load testing where the procedure duration tends to be shortened under increasing time pressures. The modelling needed to interpret the results therefore becomes more and more complex, including soil viscosity, wave radiation into the soil and other significant phenomena. The objective of the research reported herein is to refine the rheological parameters characterizing the influence of the loading rate within the framework of a relevant pile/soil interaction model fed with dynamic measurements acquired during pile Dynamic Load Tests (DLTs). The final goal is to predict and simulate the quasi-static pile load settlement curve. The pile/soil interaction system is described by a non-linear mass/spring/dashpot system supposed to represent the pile and the soil, with constitutive relationships existing within and between them. These relationships account for the static and the dynamic or rheologic behaviour. A back-analysis process based on a matching procedure between measured and computed quantities allows one to characterize the pile/soil interaction in terms of constitutive and rheologic parameters based on the dynamic measurements. After optimisation of the matching procedure, the parameters obtained are used to simulate the “static” load-settlement curve. The matching procedure is based on an automatic and stochastic parameter perturbation analysis. Since the parameters influence the system response with a relative weight, they are sorted in order to optimise all the parameters by successively retrieving the most influential ones and working on the remaining ones. The back-analysis performed on real dynamic measurements in this research leads to an improved pile/soil interaction model. The slippage between pile and soil along the pile shaft must be explicitly taken into account. This refinement increases the number of degrees of freedom needed to describe the pile/soil system but brings deeper insight into the behaviour of an interfacing zone of limited thickness surrounding the pile shaft.

Das Parallel-Seismik-Verfahren dient vor allem der nachträglichen Längenmessung von Fundamentpfählen oder ähnlichen Elementen zur Gründung von Bauwerken. Eine solche Messung wird beispielsweise notwendig, wenn ein Gebäude verstärkt, erhöht oder anders als bisher genutzt werden soll, aber keine Unterlagen mehr über die Fundamente vorhanden sind. Das Messprinzip des schon seit einigen Jahrzehnten bekannten Verfahrens ist relativ einfach: Auf dem Pfahlkopf wird meist durch Hammerschlag eine Stoßwelle erzeugt, die durch den Pfahl nach unten läuft. Dabei wird Energie in den Boden abgegeben. Die abgestrahlten Wellen werden von Sensoren in einem parallel zum Pfahl hergestellten Bohrloch registriert. Aus den Laufzeiten lassen sich die materialspezifischen Wellengeschwindigkeiten im Pfahl und im Boden sowie die Pfahllänge ermitteln. Bisher wurde meist ein sehr einfaches Verfahren zur Datenauswertung verwendet, das die Länge der Pfähle systematisch überschätzt. In der vorliegenden Dissertation wurden die mathematisch-physikalischen Grundlagen beleuchtet und durch Computersimulation die Wellenausbreitung in Pfahl und Boden genau untersucht. Weitere Simulationen klärten den Einfluss verschiedener Mess- und Strukturparameter, beispielsweise den Einfluss von Bodenschichtung oder Fehlstellen im Pfahl. So konnte geklärt werden, in welchen Fällen mit dem Parallel-Seismik-Verfahren gute Ergebnisse erzielt werden können (z. B. bei Fundamenten in Sand oder Ton) und wo es an seine Grenzen stößt (z. B. bei Gründung im Fels). Auf Basis dieser Ergebnisse entstand ein neuer mathematischer Formalismus zur Auswertung der Laufzeiten. In Verbindung mit einem Verfahren zur Dateninversion, d. h. der automatischen Anpassung der Unbekannten in den Gleichungen an die Messergebnisse, lassen sich sehr viel genauere Werte für die Pfahllänge ermitteln als mit allen bisher publizierten Verfahren. Zudem kann man nun auch mit relativ großen Abständen zwischen Bohrloch und Pfahl (2 - 3 m) arbeiten. Die Methode wurde an simulierten Daten ausführlich getestet. Die Messmethode und das neue Auswerteverfahren wurden in einer Reihe praktischer Anwendungen getestet – und dies fast immer erfolgreich. Nur in einem Fall komplizierter Fundamentgeometrie bei gleichzeitig sehr hoher Anforderung an die Genauigkeit war schon nach Simulationen klar, dass hier ein Einsatz nicht sinnvoll ist. Dafür zeigte es sich, dass auch die Länge von Pfahlwänden und Spundwänden ermittelt werden kann. Die Parallel-Seismik-Methode funktioniert als einziges verfügbares Verfahren zur Fundamentlängenermittlung zugleich in den meisten Bodenarten sowie an metallischen und nichtmetallischen Fundamenten und kommt ohne Kalibrierung aus. Sie ist nun sehr viel breiter einsetzbar und liefert sehr viel genauere Ergebnisse. Die Simulationen zeigten noch Potential für Erweiterungen, zum Beispiel durch den Einsatz spezieller Sensoren, die zusätzliche Wellentypen empfangen und unterscheiden können. / The Parallel Seismic (PS) method is used for determination of the unknown or undocumented depth/length of unknown foundations, mostly piles. Parallel Seismic is an established but rather not commonly used geophysical technique, which has been developed several decades ago. Currently, this method is standardized in France and included in the method catalog of the US FHWA. The principle behind PS is quite simple: an impulse is generated on top of the pile by a hammer stroke, generating elastic waves (mainly compressional) traveling downward through the pile. Due to the high impedance contrast between pile and soil, the main part of the energy remains in the pile, but some is transmitted as guided waves into the surrounding soil. After reaching the pile toe, transmitted/diffracted waves of nearly spherical front are generated. These waves are recorded by sensors (hydrophones or geophones) in a nearby borehole. From the first arrival times registered at the sensors, the apparent wave velocity is calculated, which is different above the pile toe (pile velocity) and below (soil velocity). In the conventional data analysis, the pile length is estimated based on the intersection of the two travel time branches, leading to a systematic overestimation of the length of the pile. This thesis provides a systematic treatise of the mathematical and physical foundations of wave propagation in piles and soil. Extensive numerical simulations and parametric studies have been carried out to investigate the nature of the wave-field and influence of measurement and structural parameters. The results revealed the range of applicability of Parallel Seismic, but also some limitations, e. g. in the case of rock socketed foundations or piles containing flaws. A new mathematical algorithm for data interpretation was developed based on the simulation results, which takes into account the soil layers and the borehole inclination. This novel data interpretation scheme was used in combination with different data inversion methods. A comparison of the results showed that the commonly used Levenberg-Marquardt type least squares approach gives sufficiently accurate estimations in most common scenarios. The VFSA (very fast simulated annealing) method offers some advantages (e. g. avoiding local minima under certain conditions) but is much more time consuming. The new interpretation method was successfully validated using several sets of simulated data. It proved to be not only more accurate than all other available methods, but also to extend the maximum allowable pile-borehole distance to 2 – 3 m. Besides the numerical study, several field investigations have been carried out for the purpose of this study and also in the framework of real world projects. The foundation types included secant pile walls and sheet piles. The method performed successfully in all cases but one: a highly accurate determination of the connection of a T-shaped footing. In this particular case, the inapplicability of the method was concluded after some preliminary simulations, thus avoiding unnecessary costs to the client. Performing simulations prior to the actual testing is recommended in dealing with all non-standard cases. Today, Parallel Seismic is the only method applicable on metallic and non metallic foundations which can be used without calibration. It has the largest range of all borehole methods.

Le mémoire porte sur l'expérimentation de piles à combustible (PAC) de type PEM (à membranes échangeuses de protons, ou à membranes polymères) destinées à trouver des applications dans les systèmes de transport. Le document proposé commence par donner un aperçu des principales problématiques liées aux transports et à l'énergie. L'objectif essentiel est d'indiquer, dans ce contexte, la pertinence d'une recherche finalisée sur les systèmes PAC et l'hydrogène, avec des travaux à mener qui s'inscrivent nécessairement dans la durée. Vient ensuite une présentation scientifique et technique des générateurs PAC de type PEM ; l'accent est alors mis sur les aspects les plus " système " de ces objets. Le concept d'hybridation par des organes de stockage tampon de l'énergie électrique (batteries et supercondensateurs) est mis en avant. Le document offre aussi une description de moyens originaux disponibles sur la plateforme PAC de Belfort en termes de matériels (bancs, instruments), de méthodes (plans d'expérience) permettant de caractériser des PAC aux puissances significatives pour les applications véhicule. Des exemples d'expérimentations spécifiques à l'application véhicule sont proposés ; les essais menés conduisent à dupliquer en laboratoire les conditions d'essais de l'environnement transport (sollicitations en dynamiques de courant, contraintes climatiques et vibratoires). Les aspects majeurs de la durée de vie, de la fiabilité et du diagnostic des systèmes PAC font l'objet du dernier chapitre du document. Le mémoire s'appuie sur un ensemble de travaux présentant une forte composante expérimentale, justifiée par la nécessaire détermination des performances des piles existantes, par l'évaluation de leurs durées de vie et de leurs modes de défaillance sous les contraintes réelles des applications embarquées. La démarche scientifique adoptée mêle étroitement expérimentation, analyse des phénomènes et diagnostic, modélisation de l'expérience et modélisation physique.

Dans l'objectif d'une augmentation en puissance des piles à combustible pour satisfaire les besoins énergétiques des applications embarquées, une solution consiste à augmenter la taille des assemblages. Dès lors, des problèmes de disparités fluidique, thermique et électrique peuvent survenir dans le cœur des piles et conduire ainsi à l'apparition de défaut. La pile à combustible, de par sa nature de source électrique basse tension - fort courant, requiert d'être couplée au réseau électrique embarqué par l'intermédiaire d'un convertisseur statique. Ce dernier peut alors être employé pour agir de façon corrective sur la pile et aussi de corriger les défaillances qui en sont liées. Dans cette perspective, le convertisseur doit avoir en permanence un retour sur l'état de santé de la pile. Pour cela, une méthode de détection et d'identification de défaut de type noyage et d'assèchement pour une pile du type PEMFC a été approfondie. Cette méthode simple, économique en capteurs, se base sur la mesure de 3 tensions de cellule judicieusement sélectionnées et localisées sur la pile. Ainsi, l'utilisation de l'information " spatiale ", qui correspond à la position de la mesure de tension dans la pile permet d'identifier les défauts. Le principe de la détection localisée nous amène alors à considérer le concept de pile segmentée qui consiste à séparer électriquement la pile en 3 parties de façon à ce que des convertisseurs associés puissent agir électriquement sur chaque segment. L'action peut être du type tout ou rien, ou contrôlée. Cette dernière offre davantage de degrés de liberté, et est moins contraignante pour la pile d'un point de vue électrique. Pour choisir comment réaliser cette action, une étude comparative de plusieurs topologies de convertisseur est effectuée. Les structures alimentées en courant répondent au mieux aux contraintes électriques d'une PEMFC et sont donc privilégiées, de même que la nécessité d'une isolation galvanique imposée par la segmentation de la pile. Au final, une topologie de BOOST isolé résonant est apparue comme étant la topologie répondant au mieux à l'ensemble des critères (plage de fonctionnement, performances énergétiques, nombre de composants). L'ensemble convertisseur global intègre ainsi trois structures unitaires qui permettent d'offrir une modularité, une action indépendante sur chaque segment et de garantir une disponibilité du système grâce à un fonctionnement dégradé. Pour cela, la stratégie de commande de l'ensemble convertisseur intègre les informations issues de la méthode de détection. La thèse se termine avec le dimensionnement complet d'un pré-prototype du convertisseur avec le choix des composants actif et passifs, et du système de refroidissement associé.

Les cellules photovoltaïques électrochimiques (CPE) ont besoin d'un milieu électrolytique transparent à la lumière, qui ne montre pas de fuite de solvant sous forme vapeur et doté de bonnes propriétés électrochimiques dans la plage de températures d'utilisation. La performance des CPE dépend de la minimisation des pertes d'énergie en surtensions anodique et cathodique (∆Eр), ainsi que d'une densité de courant (J) et d'un photovoltage élevés. Les mélanges de cinq couples rédox (CR) étudiés, composés principalement de thiourées et de leur disulfure doublement chargé en présence du liquide ionique EMI-TFSI, laissent passer les photons jusqu'à 3,2 eV et pourraient être utilisés avec une anode semi-conductrice de bande interdite optimale de ≈1,5 eV. Pour le développement de thiourées ou de disulfures liquides, deux corrélations au volume équivalent ont été établies pour les températures de transition vitreuse (Tg) et de fusion (Tf). Deux thiourées liquides ont été développées (1-diéthyl-3-diméthylthiourée, C (Tf : -7°C) et 1,3-bis(éthylméthyl)thiourée, E (Tf : 11°C)) et permettent d'autosolvater le CR sans solvant ou d'augmenter la proportion du CR en solution et le photocourant (Jph). L'anion TFSI (trifluorométhanesulfonylimide), plastifiant pour les cations monochargés, ne diminue pas la Tf des disulfures étudiés : les deux gros anions TFSI semblent s'insérer entre les disulfures sans en perturber la structure. Pour les systèmes électrolytiques (SE), les thiourées liquides, présentant une bonne pression de vapeur, doivent être utilisées avec un liquide ionique (non-volatil, par exemple EMI-TFSI : Éthylméthylimidazolium-TFSI) dont le pourcentage molaire choisi est un compromis entre une plus grande densité de courant (faible pourcentage) et un plus faible ∆Ep (fort pourcentage). Le solvant le plus visqueux du SE (thiourée ou liquide ionique) contrôle la viscosité et la conductance équivalente. Dues probablement à la formation de complexes de transfert de charge entre les espèces réduite et oxydée, de grandes attractions intermoléculaires sont présentes (écart à l'idéalité du volume molaire (Vm) des SE). Au-delà d'un seuil minimal de force ionique, les différences de viscosité, de Vm et de conductivité ionique des SE ne semblent induire aucune variation de ∆Ep. Les plus faibles valeurs de ∆Ep sont obtenues à 4,5% molaire en disulfure, entre 84% et 97% molaire en liquide ionique, pour tous les CR, et de ces derniers, le couple 1,3diéthylimidazolidine-2-thione (I) / dithio bis(1,3-diéthylimidazolidinium) bisTFSI (J2+) présente le plus faible ∆Ep grâce à une plus faible surtension cathodique |nc|. L'accès de l'espèce oxydée à l'électrode de travail pourrait être à l'origine de la diffusion plus difficile pour les disulfures de thiourées non-cycliques. Ces disulfures présentant un coeur structurel identique jusqu'aux azotes diffèrent par leurs substituants, en rotation, sur les groupes aminos. Le ∆Ep similaire de I/J²⁺ à celui des CR CsT(5-mercapto-1-méthyltétrazolate de césium) / son disulfure (T2), et tétraméthylthiourée (A) / dithiobis(tétraméthylformamidinium) bis TFSI (B²⁺) en solvant organique (travaux antérieurs du laboratoire), pourrait probablement s'expliquer par l'absence de rotation des groupes aminos (T2) et la petite taille des substituants méthyles sur les groupes aminos pour B²⁺. Pour le SE à base de I/J²⁺ très dilué dans EMI-TFSI, le photovoltage maximal théorique de la CPE est prometteur et estimé à 1,32 V pour un semi-conducteur de CdSe. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Pile solaire, Thiourées, Conductivité, Viscosité, Produit de Walden, Voltampérométrie cyclique, Transition de phases.

Une des sources d'énergie les plus abondantes est le soleil, d'où l'importance de développer des techniques efficaces pour convertir les rayons solaires en électricité. Plusieurs dispositifs peuvent être employés, dont les cellules photovoltaïques électrochimiques (CPE). Le fonctionnement de certains types de CPE repose sur une jonction entre un semi-conducteur de type n et un électrolyte gel. Le semi-conducteur, une des composantes majeures des CPE, peut être amélioré. Dans ce travail, il est question du développement d'une nouvelle méthode de préparation du semi-conducteur CulnS₂ en couche mince. Elle consiste à électrodéposer galvanostatiquement le film sur un substrat de titane. L'optimisation de la méthode inclut le choix du courant de déposition, de la méthode de recuit et du traitement chimique au KCN. Le courant de déposition a été optimisé à -40 mA, menant à des films homogènes possédant des pourcentages de CulnS₂ et de cristallinité intéressants. Un recuit sous vide à 425°C permet d'obtenir des films plus cristallins, pratiquement non-oxydés et plus purs. Enfin, un traitement chimique au KCN 0,25 M à température pièce pendant environ 10 secondes, qui permet de diminuer la quantité de cuivre dans les films, a donné les meilleurs résultats. La structure du CulnS₂ a été définie comme étant tétragonale chalcopyrite avec des paramètres de maille de 5,549 Å pour a et b, et de 11,02 Å pour c. Le facteur de rugosité moyen des films est de 19 avant traitement chimique et de 13 après traitement au KCN, avec une épaisseur moyenne de 4,2 µm. La valeur de la bande interdite a été déterminée à 1,51 eV, ce qui est comparable à la théorie. Pour les films ayant subi un traitement au KCN, une densité de porteurs de charge majoritaires de 3,8x10¹⁹ cm⁻³ a été calculée, ainsi qu'un potentiel de bandes plates de -0,45 V vs ENH. Deux piles de configuration n-CuInS₂ | PVdF (20% massique) / DMF/DMSO (60%/40% volumique), CsT 1,3 M/T₂ 0,13 M (80 % massique) | ITO ont été caractérisées dans l'obscurité. PVdF représente le polyvinylidène de fluor, CsT le 5-mercapto-1-méthyltétrazolate de césium et T₂ son disulfure. Une semi-conductivité de type n a été observée, comme attendue, avec un facteur de rectification de 2,82 (à 0,5 V) lorsque le CuInS₂ était traité au KCN. La densité de courant d'échange a été calculée à 2,7 µA/cm₂, la résistance shunt à 46 kΩ et la constante d'idéalité à 2,6 pour la même cellule. Les résultats montrent que les films ayant subi un traitement au KCN présentent une interface CulnS₂/électrolyte gel de meilleure qualité. Les films semi-conducteurs préparés dans ce projet semblent améliorer la qualité de cette interface par rapport aux films obtenus par électrodéposition potentiostatique. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Semi-conducteur, CuInS₂, pile solaire, électrodéposition galvanostatique.

Avec l'augmentation de la consommation d'énergie, il faut mettre de l'avant tout type d'énergie renouvelable. Cependant, la grande majorité de l'énergie consommée provient des combustibles fossiles, créant une grande quantité de gaz à effet de serre. Les systèmes de stockage permettent d'emmagasiner de l'énergie renouvelable et de pouvoir l'utiliser à bon escient. Plusieurs systèmes ont été développés pour cette fin et l'un d'eux est l'accumulateur (batterie) au lithium. Les accumulateurs lithium-ion sont très présents dans la vie quotidienne, notamment utilisés pour les ordinateurs portables, les téléphones cellulaires, les caméras numériques et les voitures hybrides ou électriques. Les accumulateurs lithium-ion présentent plusieurs avantages incluant une densité d'énergie élevée et une grande sécurité favorisant son utilisation dans les appareils portatifs. Beaucoup de recherches sont effectuées concernant la technologie lithium-ion, dont les matériaux de cathode. De ce lot, le phosphate de fer lithié (LiFePO4) a attiré l'attention de la communauté scientifique et est considéré comme étant l'un des matériaux de la prochaine génération des batteries lithium-ion. Le coût abordable lié à ce composé combiné à la présence abondante de fer contribue à son essor. Le potentiel standard du LiFePO4, ~3,4 V vs. Li/Li+, est plus faible que les matériaux conventionnels comme l'oxyde de cobalt, LiCoO2, mais la présence du fer et la forte liaison phosphate-oxygène sont des facteurs permettant d'accroître les propriétés de sécurité. La particularité de ce composé est la présence de deux phases solides (olivine et hétérosite) lors d'une charge/décharge d'une batterie au lithium. Pour étudier les performances électrochimiques, la méthode utilisée au niveau industriel demeure le cyclage des batteries en mode galvanostatique. Ceci permet d'obtenir la capacité, le nombre d'ampères par gramme de produit par unité de temps. Cependant, le LiFePO4 comporte des limitations autant pour la diffusion des ions de lithium dans sa structure que du transport de charge pour la réaction. Il est nécessaire d'ajouter un matériau conducteur, par exemple du carbone, pour s'assurer de la conductivité électronique lors de la préparation d'une électrode composite. La diminution de la taille des particules améliore la conductivité ionique en diminuant la distance à parcourir lors de la diffusion de Li+ dans la structure. Les performances électrochimiques du matériau actif dépendent aussi de la composition et de la structure de l'électrode composite de la batterie électrochimique. Dans le cadre de ce projet, une nouvelle méthode analytique a été développée pour déterminer la capacité de charge du composé LiFePO4, à la demande de l'industrie. Cette méthode nécessite l'utilisation d'un système électrochimique à trois électrodes d'électrolyse totale. L'oxydation de l'olivine LiFePO4 vers la phase hétérosite FePO4 s'effectue dans une solution organique (carbonate de propylène et LiPF6) avec la présence d'un médiateur redox, le 10-méthylphénothiazine (MPT). Le médiateur redox qui a été préalablement oxydé, possède un potentiel pouvant oxyder les particules de LiFePO4 en suspension et assure le transport de charge à l'électrode de travail. La quantité de charges injectée dans la solution est directement liée à la capacité de charge du matériau. Cette méthode permet donc l'analyse rapide pour obtenir la capacité de charge du LiFePO4, et pouvant être utilisée de façon routinière dans le milieu de l'industrie. Pour démontrer l'efficacité et la stabilité de la cellule électrochimique, une série d'analyses ont été effectuées, prouvant la reproductibilité de la méthode avec un écart-type relatif de 6.8%. Avec le même système électrochimique, au moins dix analyses d'un même échantillon peuvent être évaluées, sans observer une diminution de l'efficacité du signal. La versatilité de la technique a été démontrée par un emploi de divers échantillons. Les échantillons utilisés possèdent des valeurs de capacités différentes, des tailles de particule variées et avec/sans revêtement de carbone. Tous ces échantillons ont pu être analysés par cette méthode, ce qui n'est pas le cas pour la méthode standard employant les batteries électrochimiques. L'aptitude de cette technique à pouvoir être utilisée pour des particules sans revêtement de carbone est très avantageuse pour les analyses en industries. Les nanoparticules peuvent aussi être analysées par cette méthode, ce qui est difficile lors d'une préparation d'une électrode composite. Il faut souvent rajouter du carbone pour s'assurer de la connectivité entre les particules. Les valeurs émanant de la méthode développée ont été comparées avec la technique conventionnelle utilisée autant en industrie qu'en recherche, soit le cyclage galvanostatique de batteries au lithium. Les résultats obtenus par la méthode utilisant un médiateur redox démontrent une valeur de capacité supérieure à ceux observés par les batteries électrochimiques. Cela concorde avec les attentes, puisque le médiateur redox en solution recouvre et réagit complètement avec les particules de LiFePO4 et permet la délithiation complète, ce qui n'est pas observé pour les batteries où la capacité dépend de la structure et de la composition de l'électrode. La caractérisation effectuée par diffraction des rayons X et spectroscopie infrarouge à réflexion totale atténuée sur la poudre récoltée à la fin de l'électrolyse a été effectuée et démontre seulement la présence de la phase hétérosite à la fin de l'électrolyse, confirmant l'oxydation complète du produit de départ. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Batterie lithium-ion, Cathode, LiFePO4, 10-méthylphénothiazine, Électrolyse totale, Capacité de charge

Bioenergi är en stor industri i Sverige och står för en betydande del av energiomsättningen. Bioenergi i form av flis förvaras runt om i landet på hög i väntan på förbränning. Då högarna läggs upp startar olika processer som värmer upp stacken, ofta till temperaturer på 50°C under det första dygnet. En vanlig ansats i litteraturen är att denna temperaturstegring beror på aerob nedbrytning. Arbetet ämnar undersöka om denna uppvärmning endast beror av mikrobiella aktiviteter. Hypotesen prövas genom kalorimetriska mätningar av effekt från prover av flis och simulering av första dygnets temperaturutveckling i ett program som programmeras under arbetes gång. I modellen så betraktas för enkelhets skulle flisstacken som en avlång figur med rektangulärt tvärsnitt. Figuren delas sedan in i lämpligt stora beräkningsceller. Problemet löses genom att iterativt räkna fram ett strömningsfält. Strömningsfältet och effekterna som räknas ut hålls sedan konstanta under ett tidssteg, 5-15min. Den magasinerade värmeenergin används sedan för att räkna fram en ny temperatur som så ger ett nytt strömningsfält och nya effekter. I modellen användes enbart explicita metoder eftersom de är snabbare och mycket enklare att programmera. Ett flertal experiment i kalorimeter genomfördes med olika prover av flis och torv. Prover med barkflis gav högst utslag. Den högsta effekten som uppmättes var 2,16W/kg TS. Då effekter av denna storleksordning användes som inre effektgenerering i programmet gav detta inte en temperatur ökning motsvarande sådana som uppmätts i verkligheten. Detta tyder på att mer än aerob nedbrytning krävs för att ge en temperatur på över 50°C. / Bioenergy is a major industry in Sweden and accounts for a significant part of the energy production. Bioenergy in the form of wood chips is stored in piles across the country awaiting combustion. When the piles are acumulated, various processes that heat the stack begin, often to temperatures of 50 °C during the first day. A common approach in the literature is that this temperature rise is due to the aerobic decomposition. This paper will investigate whether the microbial activity is the fundamental cause for warming. The hypothesis is tested by calorimetric measurements of power from the samples of wood chips and simulation of the first day's temperature development in a programme that was desinated. For simplicity the model considers an oblong wood chip pile with rectangular cross-section. The pile is then subdivided into appropriately sized calculation cells. The problem is solved by calculating a flow field iteratively. The flow field and the effects that are calculated is then static during one time step for approximately 5-15 minutes. The produced heat energy is then used to calculate a new temperature, which renders a new flow field and new powers. The model uses only explicit methods because they are faster and much easier to programme. Several calorimetric experiments were carried out with various samples of wood chips and peat. Samples of bark chips achieved the highest result. The highest power measured was 2.16 W / kg DM. When the effects of this magnitude were used as internal power source in the programme the temperature did not increase corresponding to those measured in reality. This suggests that more than aerobic decomposition is needed to reach a temperature above 50°C.

This study is part of the Diavik Waste-Rock Pile Project taking place at the Diavik Diamond Mine in the Northwest Territories, Canada. The project involves the construction of three 15m-scale low sulfide test waste-rock piles and monitoring of fluid flow, geochemical reactions, heat and gas transport within the waste-rock piles and characterization of the physical properties of the waste-rock piles. The focus of this thesis is characterizing grain-size distribution of the waste-rock and quantifying gas transport in the test waste-rock piles. Grain size of waste rock ranges from millimeters to meters. Sieve analysis typically only provides information of grain size <0.1 m at a single location. A computer program was developed using digital image-processing techniques to obtain a spatial grain-size distribution from photographs of tip faces of the test waste-rock piles acquired in the field. The program characterizes grain size >0.1 m and employs a region-growing algorithm for segmentation of waste-rock grains with pre- and post-processing techniques to improve the accuracy of segmentation. The program was applied to photographs of six different tip faces of the test waste-rock piles. For grain size <0.1 m, data from sieve analyses were attached to the grain-size curves generated from image grain-size analyses to obtain a full spectrum grain-size analyses ranging from boulders to fines. The results show that fine fractions are retained at the top of the tip faces and grain size increases non-linearly from top to bottom of a waste-rock pile. Calculations show that although the greatest mass is associated with the medium and coarse fractions, the greatest surface area is associated with the fine fractions. The results are consistent with field observation that the initial solute concentrations are greatest at the top of the pile and saturated hydraulic conductivity are lower at the top of the pile than in the pile interior. Statistical moments show that the test waste-rock piles have mean grain size of granules and are very poorly sorted, coarse skewed and leptokurtic. Permeability is calculated using empirical formulae and good agreement is obtained between calculated values and field measurements. The heterogeneity of grain size obtained from this study can provide a basis for future modeling efforts. Gas transport analysis focused on 1) substantiating the relationship between wind flow external to the waste-rock pile and gas pressures within the pile, 2) determining the gas flow regime in the pile, and 3) quantifying the temporal variation in wind speed and direction and determining the relevant time scales. Differential gas pressures were measured in 2008 at 49 locations within one of the three test waste-rock piles and 14 locations on the surface of the pile at one-minute intervals. Wind speed and direction were measured at 10-min intervals. Correlations between wind vectors and pressure measurements show that the wind influences pressure fluctuations in the test pile. The strength of the correlation is roughly inversely proportional to the distance between measurement ports and the atmospheric boundary. The linear relationship between internal pressure measurements and surface pressure measurements demonstrate that gas flow is Darcian within the test waste-rock pile. Spectral analysis of wind data and a one-dimensional analytical solution to the flow equations show that the persistence of wind in a certain direction has most pronounced effects on transient gas flow within the pile. The penetration depth of wind-induced gas pressure wave is a function of the periodicity of the wind and permeability of the waste-rock pile.