201 - Énergie

Durant la dernière décennie, les recherches ont été orientées vers les matériaux de type LiFe_1-xMn_xPO₄ en tant qu’électrode positive pour les accumulateurs au Li. L’intérêt s’est porté sur ce type de matériaux qui permettent de combiner à la fois la bonne cyclabilité et la capacité réversible élevée de LiFePO₄, au potentiel élevé de LiMnPO₄ (4,1 V vs. Li⁺/Li). Le présente travail vise à préparer des matériaux actifs LiFe_1-xMn_xPO₄ (x = 0, 0,3 , 0,5 et 0,7) par une nouvelle méthode de synthèse colloïdale et à étudier l’influence de la teneur en manganèse sur les propriétés de ces composés. La diffraction des rayons X montre qu’une calcination entre 600°C et 650°C permis de produire un composé de structure orthorhombique, pur et cristallisé. La microscopie électronique à transmission confirme la présence des nanoparticules recouvertes par une couche de carbone d’épaisseur variant entre 3 et 6 nm, contribuant à améliorer la conductivité électronique des matériaux synthétisés (de 1,4.10^-3 S cm^-1 pour LiFePO₄ jusqu’à 9,7.10^-2 S cm^-1 pour LiFe_0.3Mn_0.7PO₄). Des piles bouton de configuration LiFe_1-xMn_xPO₄/C | LiPF₆ 1 M-EC/DMC | Li ont été caractérisées. Les études voltampérométriques indiquent une bonne stabilité électrochimique de chaque matériau actif utilisé. Les mesures galvanostatique cyclées à un régime de courant C/10 présentent respectivement une capacité spécifique massique de 167, 168, 169 et 160 mAh g^-1 en fin de décharge.

Dans ce travail, nous nous sommes intéressés à préparer et à caractériser un nouveau matériau composite à base de nanoparticules de PbS combinées à des nanotubes de carbone mono-parois (SWCNT: Single-Walled Carbon Nanotubes) en vue d’une application comme matériau actif dans une cellule photovoltaïque organique contenant le polymère conjugué poly(3-hexylthio phène-2,5-diyl) (P3HT). Le choix de PbS a été fait en raison de ses propriétés optiques et électroniques intéressantes (dont l’absorption directe dans la région IR), combinées à celles des SWCNT incluant une mobilité électronique très élevée. Le matériau PbS/SWCNT a été préparé à l’aide d’une méthode chimique originale employant l’oléylamine (OLA) comme ligand organique. L'analyse cristallographique montre que ce matériau croît dans une structure cubique à face centrée. L’analyse par MET a permis de visualiser des particules semi-sphériques ayant un diamètre d'environ 10 nm, adsorbées en surface de SWCNT. L’analyse chimique montre la présence des éléments Pb et S (PbS), et C et O (OLA et SWCNT). Les spectres UV-Vis-IR sont caractérisés par deux pics principaux à environ 1500 nm et 1650 nm associés au PbS. Les mesures de spectroscopie d'impédance électrochimique montrent que l’ajout de SWCNT à la composition d'un film de PbS réduit considérablement la résistance de transfert de charge. Les mesures de capacité en fonction du potentiel révèlent un comportement de type n pour le PbS et de type p pour le P3HT.

La production photocatalytique d’hydrogène à partir d’une solution aqueuse et d’un matériau semi-conducteur constitue une méthode de conversion de l’énergie solaire en énergie chimique très intéressante. Plusieurs travaux réalisés dans l’ultra-violet ont conduit à des rendements prometteurs. Le défi majeur réside dans la mise au point d’un photocatalyseur capable de fonctionner de façon efficace dans le visible, pour une meilleure utilisation de l’énergie solaire. Dans ce travail, nous avons réalisé la synthèse colloïdale du semi-conducteur CuGaS₂ en faisant réagir sous argon les composés GaCl₃ et Li₂S, dissous séparément dans le 1-methylimidazole (NMI), pour former le précurseur LiGaS₂ auquel a été ajoutée une solution de CuCl/NMI, menant à une suspension de CuGaS₂ ensuite traitée à 130 °C pendant 20 h. Un ratio Cu:Ga:S de 1:1,05:2,1 a été employé et les particules filtrées ont été recuites sous vide à 500 °C durant 2 h. L’analyse chimique confirme une composition riche en gallium avec un ratio atomique Ga/Cu de l’ordre de 1,08, suggérant un semi-conducteur de type n. La diffraction des rayons X confirme la phase chalcopyrite du matériau et révèle une taille des cristallites de l’ordre de 12 nm. La bande interdite de CuGaS₂ est une transition directe, estimée à 2,10 eV par spectroscopie UV-Visible. Des caractérisations électriques permettront de confirmer le type n et de déterminer le niveau de Fermi ainsi que la densité des porteurs de charge majoritaires du semi-conducteur.

Suite au grand intérêt porté pour la production d’éthanol et de diésel, le biobutanol est devenu l’un des combustibles renouvelables le plus étudié au cours de la dernière décennie. Le biobutanol est typiquement produit par le procédé de fermentation ABE (acétone-butanol-éthanol). Ce procédé est toutefois affecté par des coûts élevés de récupération en raison de la faible concentration finale en butanol due à l'inhibition du produit. Pour pallier ce problème et augmenter la productivité, des techniques de récupération in situ du butanol à partir du bouillon de fermentation ont été proposées. Cette présentation analyse et compare la faisabilité économique d'un procédé de fermentation ABE en continu avec et sans l'intégration d'une unité de séparation sous vide pour extraire le butanol de façon préférentielle du bouillon de fermentation. Il est montré que le procédé de fermentation intégrée est économiquement viable pour des taux d'actualisation pouvant aller jusqu'à environ 45%. L'ajout d'une unité de vaporisation sous vide rend ce procédé rentable par rapport au procédé de fermentation traditionnel analysé selon deux scénarios: (1) même volume du fermenteur et (2) taux de production de butanol constant. La valeur actualisée nette (VAN) du procédé traditionnel s’est avérée négative pour les deux scénarios alors que le procédé intégré à une unité d’évaporation sous vide montre une VAN de US$ 87.0M à la fin de 10 ans de fonctionnement sur la base d'un taux d’actualisation de 10%.

Afin de réduire l’érosion et l’agression chimique des parois de briques réfractaires par la matière en fusion au sein des réacteurs métallurgiques, on laisse croître par changement de phase solide/liquide un revêtement sur leur surface interne. Ce revêtement joue un rôle extrêmement important, car il assure l’intégrité de l’installation et prolonge sa durée de vie. De ce fait, le contrôle de celui-ci est primordial. L’environnement hostile qui règne au cœur du four interdit les mesures directes. Les sondes qu’on y plonge sont détruites. Pour remédier à ce problème, l’industriel recourt à la simulation numérique et, plus récemment, à une approche par transfert inverse.

Une analyse inverse qui permet de prédire l’épaisseur du revêtement interne dans un réacteur métallurgique est présentée. Dans le model inverse, le flux de chaleur, la résistance thermique de contact et le coefficient de convection thermique sont inconnus. Ceux-ci sont estimés à partir des mesures de température non-intrusives provenant d’un thermocouple situé dans les parois du réacteur. Ensuite l’épaisseur du revêtement protecteur est calculée en utilisant le model direct. Le model inverse repose sur l'algorithme de Levenberg-Marquardt combiné avec la méthode de Broyden. L'effet du bruit de mesure, la fréquence d’acquisition et la position de thermocouple sur les prévisions inverses est étudié. La précision et l’unicité de la solution sont également évaluées dans ce projet.

Le bas coût de l’hydroélectricité rend les autres filières énergétiques difficilement compétitives au Québec. Il s’en suit que les panneaux thermiques utilisés pour capter l’énergie solaire sont très rares ici. Il existe sur le marché des capteurs solaires thermiques très performants. Par contre, leurs coûts d’acquisition et d’installation élevés freinent l’envol de cette technologie selon une étude du laboratoire des technologies de l’énergie de Hydro Québec. Pour rembourser le coût d’une telle installation, il faut compter plus de 30 ans. L’objectif de notre recherche est de comparer le taux de revient de l’énergie produite par un panneau expérimental développé par le groupe de recherche écologique de LaBaie à celui d’un panneau standard commercial.

Pour ce faire, un banc de test a été conçu avec de nombreux étudiants et fabriqué dans le cadre des travaux de recherche appliquée de la chaire TERRE. Les deux panneaux sont placés côte à côte sur le toit d’un bâtiment et soumis aux mêmes conditions réelles d’ensoleillement. Un circuit hydrique comprenant un circulateur, des valves modulantes et un dissipateur thermique extérieur a été mis en place. Des débitmètres, thermomètres et un pyromètre sont reliés à un automate Vizimax qui par le biais d’une interface homme machine permet de contrôler les essais et d’archiver les données pour fins d’analyse. La mise en marche du banc d’essai est en cours de réalisation et les premiers résultats obtenus seront présentés.

Ce projet met en évidence le comportement thermique de la batterie par la variation des débits du liquide caloporteur et son impact sur la température à l’entrée et à la sortie. Des études comparatives en circuit fermé et en circuit ouvert seront présentées en vue de démontrer les conditions optimales d’utilisation de la batterie thermique.

La batterie thermique composée de matériaux à changements de phases (MCP) est une nouvelle technologie de stockage énergétique développée au cours des 15 dernières années par le Groupe Énerstat. Cette entreprise québécoise, partenaire de la chaire, distribue son produit novateur dans diverses applications de climatisation et de chauffage, notamment pour des cabines pour camions. La batterie thermique à matériau de changement de phase permet de stocker du chaud et du froid.

Le projet consiste en la conception et la réalisation d’un banc d’essai technique qui sert à caractériser une unité modulaire de 5 kW. Un liquide caloporteur circule dans la batterie permettant un transfert de chaleur avec le MCP qui agit comme échangeur thermique. Ce transfert d’énergie permet de charger ou décharger la batterie. La variation du débit du liquide caloporteur servira à établir les comportements thermiques de la batterie. Les résultats des tests effectués servent à établir une procédure standardisée pour la charge et la décharge de la batterie thermique.

La chaire de recherche en Technologie des énergies renouvelables et du rendement énergétique (TERRE) du Cégep de Jonquière œuvre dans l’affinage et la mise à l’épreuve d’un prototype d’hydrolienne de l’entreprise Nordest Marine. Assistée d’une dizaine de partenaires experts, la Chaire a conçu, fabriqué, et opéré un banc d’essais (appelé banc de production hydrolienne, ou BPH) permettant de tester les systèmes électriques développés, et ainsi préparer le terrain pour des essais en rivière. Ce banc d'essais consiste en un entraînement à contrôle de couple commandant un moteur de 50 hp (37kW) ancré à l’entrée d’une boîte de transmission. Le générateur de l’hydrolienne est raccordé à sa sortie. Des simulations hydrodynamiques ont permis de développer un algorithme calculant en temps réel le rendement qu’auraient les pales de l’hydrolienne pour les conditions actuelles d'opération, permettant ainsi de recréer la puissance mécanique de la rivière sur l’arbre du générateur du banc d’essais. L’interface opérateur permet de changer différents paramètres en lignes afin de simuler des changements de charge ou de débit de rivière. Des tests ont été effectués sur un générateur de 25 kW regénérant sur le réseau électrique municipal, et montrent que le comportement du système agit correctement en régime permanent, mais que le régime transitoire doit être amélioré. Les travaux futurs permettront d'améliorer la dynamique du système, tout en préparant le terrain aux essais avec prototype réel.