identifier: Gleize, J. (2013). Étude de la réponse globale des cadres à contreventement excentrique à liens longs aux charges sismiques  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire traitent des cadres à contreventement excentrique (CCE), de type chevron, à liens longs. Le CCE a démontré, depuis une quarantaine d'années, qu'il est un système structural efficace sous chargement sismique. La dissipation d'énergie s'effectue par plastification du lien ductile. Ce dernier étant la pièce maitresse du système, de nombreuses études ont porté sur sa longueur, son poids, sa géométrie, le type de profilé utilisable, l'utilisation de raidisseurs, l'intrusion de trous, etc. En revanche, on archive peu d'études effectuées sur la réponse globale du cadre à contreventement excentrique. De plus, des travaux antérieurs ont démontré que l'utilisation d'un lien court permet des déformations plus importante qu'en présence d'un lien long et d'augmenter ainsi la rigidité du cadre. Cependant, au niveau architectural, dans le but d'avoir plus d'espace, des CCE à liens longs sont considérés comme plus adéquats. C'est alors dans le but d'explorer le comportement sismique des liens longs et la réponse globale de la structure, que ce projet y trouve son intérêt.  ABSTRACT: The research presented in this thesis deals with chevron-type eccentrically braced frames (EBF), with long links. Over the past forty years, the EBF has proved to be an effective structural system to resist seismic loading. In this system, the energy dissipation is achieved through the plastic deformation of the link. Because the link is the most important element of the system, many previous studies have focused on its length, weight, geometry, the type of profile used, the use of stiffeners, the intrusion of holes, etc.. In contrast, there are few studies examining the overall response of eccentrically braced frame. In addition, previous studies have shown that the short link can undergo larger inelastic deformations, and thus increase the dissipation of the seismic energy. However, from the architectural point of view, the EBF with long links have their advantages related mostly to geometrical arrangements. Therefore the main objective of this project is to explore the seismic behaviour of long links and the overall response of the structure. Long links yield predominantly in flexure, the yielding in flexure dominates, whereas yielding in shear characterise seismic response of short link.


identifier: Deziel, E. (2013). Couplage de la filtration granulaire aux résines échangeuses d'ions pour le traitement des eaux de surface des petites communautés  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Le traitement des eaux de surface peut constituer un vrai défi, surtout pour les petits systèmes de traitement. La présence de matière organique dissoute peut présenter un risque de formation de sous-produits de désinfection lorsque l'eau est chlorée. Ces sous-produits de désinfection peuvent être nocifs pour la santé. C'est pourquoi le Ministère du développement durable, de l'environnement, de la faune et des Parcs (MDDEFP) du Québec a émis une norme sur les deux principaux composés, soient les trihalométhanes (THM) et les acides halo-acétiques (AHA). Comme les petites communautés (moins de 3000 habitants) possèdent souvent des systèmes de traitement qui ne permettent pas de rencontrer les nouvelles normes quant à la qualité de l'eau potable, il est important de trouver des procédés alternatifs qui sont efficaces, peu couteux et faciles à opérer. L'étude du couplage de la filtration granulaire aux résines échangeuses d'ions a été réalisée afin de vérifier l'applicabilité et les performances d'un tel procédé pour le traitement d'une eau de surface. Dans un premier temps, des essais de filtration granulaire ont été faits en eau chaude et en eau froide. Au total, dix configurations différentes ont été testées dans le but de déterminer l'effet de la vitesse superficielle, de la granulométrie et des médias filtrants sur les performances en termes d'abattement de matière particulaire et dissoute. Trois vitesses superficielles ont été utilisées, soient 2, 5 et 10 m/h. De plus, deux granulométries ont été testées : une granulométrie standard avec du charbon actif en grain de 1,17 mm de diamètre effectif et du sable de 0,36 mm de diamètre effectif et une granulométrie fine avec du charbon actif en grain de 0,63 mm et du sable de 0,2 mm de diamètre effectif. Deux configurations de filtres ont aussi été comparées : un filtre bicouche (CAG et sable standard) et un filtre tricouche (CAG et sable standard avec de l'ilménite 0,2 mm). Pour vérifier l'effet du média filtrant, un filtre avec du charbon actif en grain a été comparé à un filtre avec de l'anthracite.  ABSTRACT: Surface water treatment can be very difficult, especially for small systems. Because of the great amount of dissolve organic matter, when chlorine is used for disinfection, there is a risk to produce disinfection by-products that can be harmful for the health. Two of the most commons disinfection by-products, trihalomethanes (THM) and halo-acetic acids (HAA), have been standardized by the environmental department in Quebec (MDDEFP). Since they are a lot of small communities (3000 people or less) in Canada that have inadequate treatment systems, it is important to find new process that are efficient, reliable and easy to operate at low cost. The study of granular filtration followed by ion-exchange resins was done in order to determine its applicability and performance for the treatment of raw surface water. Granular filtration was tested in warm and cold water conditions. Ten different configurations were tested to see the effects of velocity, media type and media size on the treated water quality. Three velocities were tested: 2 m/h, 5 m/h and 10 m/h. Also, media size was separated in two types: standard size meaning granular activated carbon with an effective size of 1,17 mm and sand with an effective size of 0,36 mm and, small size meaning granular activated carbon of 0,63 mm and sand of 0,2 mm. Two configurations of filters were also tested: dual-media (standard size GAC and sand) and triple-media filters (standard size GAC and sand with ilmenite (0,2 mm)). Finally, to verify the effect of media type, an anthracite filter with sand was compared to a GAC filter with sand.


identifier: Oustad, C. (2013). Estimation des demandes sismiques en déplacements élastiques et inélastiques au Québec et au Canada - Application aux ponts  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le nord-est du continent américain est situé en plein milieu d'une plaque tectonique. Néanmoins, on y recense fréquemment des secousses sismiques de magnitudes significatives. De plus, étant donné la forte densité de population, ce territoire est considéré à risque sismique important. Il n'existe que très peu de données sismiques historiques relatives à l'aléa sismique nord-est américain et le mécanisme lié à leurs secousses reste mal connu. Malgré tout, des infrastructures sont constamment construites et ou rénovées considérant ce risque sismique afin d'être sécuritaire. L'objectif principal de la recherche présentée dans ce mémoire est d'estimer les demandes sismiques en déplacements élastiques et inélastiques au Québec et au Canada. Tout d'abord, une revue de littérature a présenté l'enjeu des recherches en génie parasismique au Canada et les mesures contenues dans le code des ponts en vigueur (CSA-S6-06). L'étude de deux méthodes de dimensionnement différentes, basées sur les déplacements, a permis d'identifier les ingrédients dépendant du séisme appliqué afin d'être évalué dans un contexte sismique de l'est du Canada. La revue de littérature a permis de constater que plusieurs codes dans le monde, excepté le code canadien, limitent les déplacements résiduels.  ABSTRACT: The northeastern part of the American continent is located in the middle of a tectonic plate. Nevertheless, ground motions of significant magnitude occur frequently in this region. Being densely populated, the area is associated with considerable seismic risk. There is very little historical seismic data corresponding to the Eastern North American seismic hazard and the underlying earthquake mechanisms remain unclear. Nevertheless, the infrastructures are constantly built and renovated considering no harm from the seismic risk. The main objective of the research presented in this thesis is to estimate elastic and inelastic seismic displacement demands in Quebec and Canada. First, a literature review presented the objectives of research in earthquake engineering in Canada and the measures prescribed in the current Canadian Highway Bridge Code (CSA-S6-06). The study of two different displacement-based design methods, permitted identification of the ingredients depending on the applied ground motion records, to be evaluated in the seismic context of eastern Canada. The literature review showed that several codes in the world, except the Canadian Code, set a limit for residual displacement.


identifier: Xu, X. (2013). Modélisation et analyse du fonctionnement d'un système de stockage intégré au réseau électrique  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce projet de recherche traite de la problématique suivante : comment déterminer la valeur ajoutée d'un système de stockage au réseau électrique, du point de vue de la gestion des ressources et de l'amélioration de l'efficacité énergétique ? Le cas considéré dans l'analyse est celui d'un système de stockage de batteries intégré au réseau électrique québécois. Dans le contexte de cette étude, les rôles du stockage sont les suivants : réserve de secours en cas d'urgence, lissage de la charge et exportation pour les périodes de pointe. L'objectif principal de ce travail de recherche est d'étudier le dimensionnement de ce système de stockage et comment un tel système de stockage affecte la stratégie de production et d'exportation d'électricité tout en maximisant le bénéfice apporté par ce système. Afin d'atteindre ces objectifs, deux modèles d'optimisation sont développés. De plus, nous étudions les impacts des principaux paramètres utilisés (demande prévisionnelle, coût d'investissement, prix d'exportation, etc.) pour ce calcul sur les résultats. Le critère d'optimisation a conduit à privilégier l'utilisation de la programmation linéaire en nombres entiers. Ces modèles sont basés sur certaines des caractéristiques typiques des modèles d'optimisation du fonctionnement de la batterie et celles de la centrale électrique. Les variables de décision incluent le nombre de chaque type de batteries, la quantité d'électricité chargée et déchargée par les batteries à chaque instant, la quantité d'énergie totale dans les batteries à chaque instant et la quantité d'électricité produite et exportée en temps réel. La solution est limitée principalement par les contraintes de fonctionnement de la production (capacité installée, coût unitaire d'électricité), les caractéristiques techniques et économiques des batteries, la demande interne et externe. Les modèles ont été codés en AMPL et la résolution de ce programme a été réalisée avec le solveur CPLEX. Suite à cette résolution, les résultats ont permis de constater que la valeur liée au système de stockage dépend de la capacité de la production installée, du coût unitaire d'électricité, de la demande interne et externe, du prix d'électricité, du prix d'exportation et de la politique d'exportation. Bien que les observations effectuées aient permis de calculer les bénéfices d'un système de stockage de façon détaillée et d'en tirer des conclusions importantes concernant les paramètres d'entrée, leurs impacts et leurs interactions, une évaluation à la fois technique et économique plus détaillée sur un tel projet d'investissement s'avère nécessaire.  ABSTRACT: This research addresses the following problem: How to determine the added value of a storage system to the grid, in terms of resource management and improvement of energy efficiency? The case considered in this analysis is a battery storage system integrated into the Quebec power grid. In this study, the functions of storage are: reserves back-up in case of emergency, load leveling to reduce the fluctuation of power generation and stocking the production excess to export. The main objective of this research is to study the capacity design of the storage system and how such storage system could affect the strategy of electricity production and exportation, while maximizing the profit brought by the storage system. To achieve these objectives, two optimization models were developed. In addition, we investigate the effect of key parameters used (demand forecasting, cost of investment, export prices, etc.) on the results. The optimization method tends to favor the use of mixed integer linear programming (MILP). Both models are based on some of the typical characteristics of optimization models for batteries and those of the power plant. The decision variables include the number of each type of batteries, the level of electricity charged and discharged by the batteries at a given time set the amount of electricity produced and exported, etc. The solution is largely limited by the constraints of production (maximum capacity, cost of production), the technical and economic characteristics of the batteries, internal and external demand. The models were coded in AMPL and solving this program was achieved with the CPLEX solver. Following this resolution, the results have shown that the values related to the storage system depends on the installed production capacity, the cost of electricity, the internal and external demand, the electricity prices, the export policy, etc.  Although observations have allowed to calculate the benefits of a storage system in a detailed way and to draw important conclusions about the input parameters, their impacts and their interactions, a further study both technical and economic on such project to evaluate the investment decision is definitely needed.


identifier: Lapalme, M. (2013). Caractérisation des contraintes résiduelles engendrées par l'expansion à froid de trous dans des alliages d'aluminium  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'écrouissage à froid (EEF) est un procédé qui consiste à déformer plastiquement un trou d'assemblage dans des alliages métalliques par le passage d'un mandrin surdimensionné. L'interférence majeure dans le trou a pour effet de générer des contraintes résiduelles autour de celui-ci. La portion tangentielle des contraintes sera bénéfique aux abords du trou puisqu'une zone fortement compressive est créée qui retardera l'apparition et la propagation de fissures de fatigue. À une distance plus grande du trou, une zone de contraintes en tension est générée. La résultante du procédé est une augmentation considérable de la vie en fatigue du trou qui a été démontrée par une utilisation par l'industrie depuis plusieurs décennies. La présente étude avait pour objectifs la caractérisation du champ de contraintes résiduelles induites par l'EEF et le développement d'une méthode de simulation pour celui-ci. La complexité des contraintes générées est décuplée par deux éléments principaux. D'abord, le passage progressif du mandrin dans le trou cause une interférence évolutive qui, au final, engendre un état de contrainte variable dans l'épaisseur de la plaque trouée. Ensuite, pour des raisons d'aisance d'application et de productivité de la méthode, l'interférence entre le trou et le mandrin est causé par une pièce d'interface, le manchon, qui consiste en une mince feuille d'acier formée en cylindre. Au degré d'interférence maximal, le manchon présente une discontinuité géométrique due à son déploiement dans le trou, ce qui cause une non-uniformité du chargement mécanique. Dans le but de concevoir un modèle tridimensionnel de simulation par éléments finis représentatif de la physique réelle du procédé, différentes mesures en laboratoire ont d'abord été effectuées. Le mandrin à simuler a été numérisé afin d'introduire sa forme exacte dans le modèle. Des mesures dimensionnelles ont aussi permis de caractériser le comportement du manchon pendant l'écrouissage et l'effet de son ouverture sur l'état final du trou. Ces mesures et observations ont permis de définir le comportement des diverses interfaces de contacts ainsi que les géométries dans le modèle d'EF. La caractérisation du champ de contraintes résiduelle et la validation du modèle de simulations de l'EEF ont été effectuées grâce à l'obtention d'une multitude de données expérimentales. D'abord, la diffraction de Rayons-X a permis d'acquérir des mesures de contraintes sur les deux faces de la pièce trouée.  ABSTRACT: Cold Expansion (CX) is a process which consists in plastically deforming assembly holes in metallic alloys by drawing an oversize mandrel through them. The major interference caused by the mandrel generates residual constraints around the hole. The tangential part of those constraints is beneficial for the hole fatigue life since an highly compressive zone is created which will retard fatigue cracks propagation. However, farther from this compressive zone, balancing tensile stresses are generated. The resultant of the CX process is a considerable increase in the fatigue life of the hole which has been demonstrated by the industry over the last decades. The present study objectives were the characterization of the residual stress field induced by CX and the development of a simulation method for it. The complexity of the generated stresses is increased tenfold by two main elements. First, the progressive drawing of the mandrel through the hole causes a scalable interference which produces variable stress states in the thickness of the perforated plate. Second, for easier application and productivity, the interference between the hole and the mandrel is actually caused by an interference object, the sleeve, that is rolled to a cylindrical form from a thin steel sheet. At its critical interference position, a split is opened in the sleeve which causes a non-uniform mechanical loading applied to the walls of the hole. In order to conceive a physically realistic tridimensional finite element model, laboratory measurements were first performed. The mandrel was digitized to introduce its exact shape in the model. Dimensional measurements have also helped to characterize the sleeve mechanical behavior during the CX and the effect of its split on the final hole state. These measurements and observations allowed defining the behavior of various interfaces of contact and geometries in the FE model. Characterization of the residual stress field and the validation of the simulation model of CX were performed using a variety of experimental data generated as part of this study. First, X-ray diffraction yielded measurements of stress on both sides of the sample. Then, full field planar strains were measured using digital image correlation on both sides of samples.


identifier: Kolus, A. (2013). Techniques Based on Adaptive Neuro-Fuzzy Inference Systems (ANFIS) for Estimating and Evaluating Physical Demands at Work Using Heart Rate  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Malgré l'évolution rapide de la mécanisation dans les industries lourdes, les emplois physiquement exigeants qui nécessitent un effort humain excessif représentent encore une part importante dans de  nombreuses industries (foresterie, construction, mines, etc.). Des études ont montré que les charges de travail excessives imposées aux travailleurs sont la principale cause de fatigue physique, ce qui a des effets négatifs sur les travailleurs, leur performance et la qualité du travail. Par conséquent, les chercheurs ont souligné l'importance de la conception optimale des tâches (à l'intérieur des compétences des travailleurs) afin de maintenir la sécurité, la santé et la productivité des travailleurs. Toutefois, cela ne peut être atteint sans comprendre (c'est-à-dire mesurer et évaluer) les exigences physiologiques du travail. À cet égard, les trois études comprises dans cette thèse présentent des approches pratiques pour estimer et évaluer la dépense énergétique (DE), exprimée en termes de consommation d'oxygène (VO2), au cours du travail réel. La première étude présente de nouvelles approches basées sur le système d'inférence neuro-flou adaptatif (ANFIS) pour l'estimation de la VO2  à partir des mesures de la fréquence cardiaque (FC). Cette étude comprend deux étapes auxquelles ont participé 35 individus en bonne santé. Dans un premier temps, deux modèles novateurs individuels ont été développés en se basant sur  l'ANFIS et les méthodes analytiques. Ces modèles s'attaquent au problème de l'incertitude et de la non-linéarité entre la FC et la VO2. Dans un deuxième temps, un modèle général ANFIS qui ne requiert pas d'étalonnage individuel a été développé. Les trois modèles ont été testés en laboratoire et sur le terrain. La performance de chaque modèle a été évaluée et comparée aux VO2 mesurées et à deux méthodes d'estimation individuelles et traditionnelles de VO2  (étalonnage linéaire et Flex-HR). Les résultats ont indiqué la précision supérieure obtenue avec la modélisation ANFIS individualisée (EMQ = 1,0 à 2,8 ml/kg.min en laboratoire et sur le terrain, respectivement). Le modèle analytique a surpassé l'étalonnage linéaire traditionnel et les méthodes  Flex-HR avec des données terrain. Les estimations du modèle général ANFIS de la VO2 ne différaient pas significativement des mesures réelles terrain VO2 (EMQ = 3,5 ml/kg.min). Avec sa facilité d'utilisation et son faible coût de mise en œuvre, le modèle général ANFIS montre du potentiel pour remplacer n'importe laquelle des méthodes traditionnelles individualisées pour l'estimation de la VO2 à partir de données recueillies sur le terrain. La deuxième étude présente un modèle de prédiction de la VO2 basé sur ANFIS qui est inspiré de la méthode Flex-HR. Des études ont montré que la méthode Flex-HR est une des méthodes les plus précises pour l'estimation de la VO2. Toutefois, cette méthode est basée sur quatre paramètres qui sont déterminés individuellement et par conséquent ceci est considéré comme coûteux, chronophage et souvent peu pratique, surtout lorsque le nombre de travailleurs augmente. Le modèle prédictif proposé se compose de trois modules ANFIS pour estimer les paramètres de Flex-HR. Pour chaque module ANFIS, la sélection de variables d'entrée et le modèle d'évaluation ont été simultanément réalisés à l'aide de la combinaison de la technique de division des données en trois parties et la technique de validation croisée. La performance de chaque module ANFIS a été testée et comparée avec les paramètres observés ainsi qu'avec les modèles de Rennie et coll. (2001) à l'aide de données de test indépendant. En outre, les performances du modèle global de prédiction ANFIS dans l'estimation de la VO2 a été testé et comparé avec les valeurs mesurées de la VO2, la méthode de Flex-HR standard ainsi qu'avec les autres modèles généraux (c.-à-d., les modèles de Rennie et coll. (2001) et de Keytel et coll. (2005)). Les résultats n'ont indiqué aucune différence significative entre les paramètres observés et estimés de Flex-HR et entre la VO2 mesurée et estimée dans la plage de fréquence cardiaque globale et séparément dans différentes gammes de FC. Le modèle de prédiction ANFIS (EMA = 3 ml/kg.min) a montré de meilleures performances que les modèles de Rennie et coll. (EMA = 7 ml/kg.min) et les modèles de  Keytel et coll. (EMA = 6 ml/kg.min) et des performances comparables avec la méthode standard de Flex-HR (EMA = 2,3 ml/kg.min) tout au long de la plage de fréquence cardiaque. Le modèle ANFIS fournit ainsi aux praticiens une méthode pratique, économique et rapide pour l'estimation de la VO2 sans besoin d'étalonnage individuel. La troisième étude présente une nouvelle approche basée sur l'ANFIS pour classer les travaux en quatre classes d'intensité (c'est-à-dire, très léger, léger, modéré et lourd) à l'aide du monitorage du rythme cardiaque. La variabilité intra-individuelle (différences physiologiques et physiques) a été examinée. Vingt-huit participants ont effectué le test de la montée des marches Meyer et Flenghi (1995) et le test maximal sur le tapis roulant pendant lesquels la fréquence cardiaque et la consommation d'oxygène ont été mesurées. Les résultats ont indiqué que le monitorage du rythme cardiaque (FC, FC max et FC repos) et du poids corporel sont des variables significatives pour classer le rythme de travail. Le classificateur ANFIS a montré une sensibilité, une spécificité et une exactitude supérieures par rapport à la pratique courante à l'aide de catégories de rythme de travail basées sur le pourcentage de fréquence cardiaque de réserve (% FCR), avec une différence globale de 29,6 % dans la précision de classification entre les deux méthodes et un bon équilibre entre la sensibilité (90,7 %, en moyenne) et la spécificité (95,2 %, en moyenne). Avec sa facilité de mise en œuvre et sa mesure variable, le classificateur ANFIS montre un potentiel pour une utilisation généralisée par les praticiens pour évaluation du rythme de travail.  ABSTRACT: Despite the rapid evolution of mechanization in heavy industries, physically demanding jobs that require excessive human effort still represent a significant part of many industries (e.g., forestry, construction, mining etc.). Studies have shown that excessive workloads placed on workers are the main cause of physical fatigue, which has negative effects on the workers, their performance and quality of work. Therefore, researchers have emphasized on the importance of the optimal job design (within workers' capacity) in order to maintain workers' safety, health and productivity. However, this cannot be achieved without understanding (i.e., measuring and evaluating) the physiological demands of work. In this respect, the three studies comprising this dissertation present practical approaches for estimating and evaluating energy expenditure (EE), expressed in terms of oxygen consumption (VO2), during actual work. The first study presents new approaches based on adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS) for the estimation of VO2 from heart rate (HR) measurements. This study comprises two stages in which 35 healthy individuals participated. In the first stage, two novel individual models were developed based on the ANFIS and the analytical methods. These models tackle the problem of uncertainty and nonlinearity between HR and VO2. In the second stage, a General ANFIS model was developed which does not require individual calibration. The three models were tested under laboratory and field conditions. Performance of each model was evaluated and compared to the measured VO2 and two traditional individual VO2 estimation methods (linear calibration and Flex-HR). Results indicated the superior precision achieved with individualized ANFIS modeling (RMSE= 1.0 and 2.8 ml/kg.min in laboratory and field, respectively). The analytical model outperformed the traditional linear calibration and Flex-HR methods with field data. The General ANFIS model's estimates of VO2 were not significantly different from actual field VO2 measurements (RMSE= 3.5 ml/kg.min). With its ease of use and low implementation cost, the General ANFIS model shows potential to replace any of the traditional individualized methods for VO2 estimation from HR data collected in the field. The second study presents an ANFIS-based VO2 prediction model that is inspired by the Flex-HR method. Studies have shown that the Flex-HR method is one of the most accurate methods for VO2 estimation. However, this method is based on four parameters that are determined individually and therefore it is considered costly, time consuming and often impractical, especially when the number of workers increases. The proposed prediction model consists of three ANFIS modules for estimating the Flex-HR parameters. For each ANFIS module, input variables selection and model assessment were simultaneously performed using the combination of three-way data split and cross-validation techniques. The performance of each ANFIS module was tested and compared with the observed parameters as well as with Rennie et al.'s (2001) models using independent test data. In addition, the performance of the overall ANFIS prediction model in estimating VO2 was tested and compared with the measured VO2 values, the standard Flex-HR method as well as with other general models (i.e., Rennie et al.'s (2001) and Keytel et al.'s (2005) models). Results indicated no significant difference between observed and estimated Flex-HR parameters and between measured and estimated VO2 in the overall HR range, and separately in different HR ranges. The ANFIS prediction model (MAE = 3 ml/kg.min) demonstrated better performance than Rennie et al.'s (MAE = 7 ml/kg.min) and Keytel et al.'s (MAE = 6 ml/kg.min) models, and comparable performance with the standard Flex-HR method (MAE = 2.3 ml/kg.min) throughout the HR range. The ANFIS model thus provides practitioners with a practical, cost- and time-efficient method for VO2 estimation without the need for individual calibration. The third study presents a new approach based ANFIS for classifying work intensity into four classes (i.e., very light, light, moderate and heavy) by using heart rate monitoring. Intersubject variability (physiological and physical differences) was considered. Twenty-eight participants performed Meyer and Flenghi (1995) step-test and a maximal treadmill test, during which heart rate and oxygen consumption were measured. Results indicated that heart rate monitoring (HR, HRmax, and HRrest) and body weight are significant variables for classifying work rate. The ANFIS classifier showed superior sensitivity, specificity, and accuracy compared to current practice using established work rate categories based on percent heart rate reserve (%HRR), with an overall 29.6% difference in classification accuracy between the two methods, and good balance between sensitivity (90.7%, on average) and specificity (95.2%, on average). With its ease of implementation and variable measurement, the ANFIS classifier shows potential for widespread use by practitioners for work rate assessment.


identifier: Prostakova, V. (2013). Development of a Thermodynamic Database for Nickel-Containing Oxide Systems for Simulation of Nickel Extraction from Laterite Ores  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Un vaste programme de recherche collaborative s'est concentré sur le développement d'une base de données thermodynamiques auto-cohérente pour la simulation de l'extraction du nickel à partir de minerais latéritiques. Des systèmes chimiques pertinents pour le traitement de minerais latéritiques ont été étudiés expérimentalement et optimisés thermodynamiquement. En général, les dépôts de minerais latéritiques sont constitués de mélanges hétérogènes d'oxydes de fer hydratés et de silicates de magnésium hydratés. La base des minerais latéritiques est l'olivine (Fe, Mg)2SiO4, qui contient souvent de faibles quantités de nickel à cause de la proximité des rayons ioniques de Fe2+, Mg2+ et Ni2+. Les technologies existantes produisant actuellement du nickel dans le monde entier utilisent seulement environ la moitié des gisements de latérites de nickel ; d'autres sources ne sont pas utilisées en raison de la minéralogie complexe. Pour créer des procédés de récupération de Ni à partir de minerais latéritiques qui soient rentables, respectueux de l'environnement et peu coûteux en énergie, il est important de pouvoir effectuer des calculs fiables d'équilibres de phases dans le système multi-composant Al–Ca–Cr–Fe–Mg–Ni–O–Si, où Fe, Al2O3, MgO, NiO et SiO2 sont les principaux constituants des scories et des phases d'oxydes de la pyrométallurgie du nickel. Le présent programme de recherche a relevé ce défi. Il visait à développer une base de données thermodynamiques pour les systèmes d'oxydes contenant NiO dans le système multi-composant Al2O3–CaO–FeO–Fe2O3–MgO–NiO–SiO2 (Al–Ca–Fe–Mg–Ni–O–Si) à haute température d'intérêt pour les procédés pyrométallurgiques du nickel. Le projet a été réalisé grâce aux efforts conjoints de deux groupes de recherche. Le développement de la base de données a été effectué au Centre de Recherche en Calcul Thermochimique, Montréal, Canada par le biais de la modélisation thermodynamique, qui était étroitement liée aux études expérimentales d'équilibres de phases réalisées par nos collègues du Centre de Recherches Pyrométallurgiques (PyroSearch), Brisbane, Australie. Cette approche collaborative a considérablement augmenté l'efficacité de l'ensemble du programme en réduisant le nombre de travaux expérimentaux nécessaires et en fournissant des données expérimentales spécifiques pour la modélisation thermodynamique. Les évaluations thermodynamiques ont permis d'identifier les priorités pour les expériences et de planifier des mesures expérimentales pour fournir des données spécifiques pour la modélisation thermodynamique. Un examen et une évaluation critique de la littérature publiée antérieurement sur la thermodynamique et les équilibres de phases dans les systèmes contenant NiO ont été réalisés. Les paramètres des modèles ont été optimisés pour reproduire une grande variété de données recueillies dans la littérature, incluant les données d'équilibres de phases, les propriétés thermodynamiques (capacité calorifique, entropie, enthalpie, énergie de Gibbs) et les données de distribution de cations. Cependant, pour plusieurs sous-systèmes d'ordre inférieur, les données manquaient dans la littérature parce que ces sous-systèmes n'ont pas d'importance directe pour les applications pratiques. Lorsqu'il n'y avait pas suffisamment de données pour contraindre les paramètres du modèle ou lorsque des divergences importantes ont été observées dans les données disponibles, un programme expérimental a été proposé à nos collègues du Centre PyroSearch. Un nombre limité de mesures expérimentales ont été prévues à des températures et à des compositions jugées les plus utiles pour la modélisation thermodynamique. De cette façon, la quantité de travail nécessaire pour obtenir une description thermodynamique précise d'un système multi-composant a été significativement réduite. La procédure expérimentale a impliqué un équilibrage à haute température en atmosphère de gaz contrôlée et une trempe ultra rapide suivie par une microanalyse aux rayons X à l'aide d'une sonde électronique (EPMA) des échantillons trempés. Comme l'analyse a eu lieu après l'équilibrage, les changements de composition pendant l'équilibrage n'ont pas affecté la précision des résultats. Les conodes entre les phases liquides et solides à l'équilibre ont été mesurées directement, fournissant ainsi des données essentielles pour la modélisation thermodynamique ultérieure. L'ensemble des données expérimentales, incluant les nouveaux résultats expérimentaux et les données publiées antérieurement, a été pris en considération lors de la modélisation thermodynamique des phases d'oxydes du système multi-composant Al2O3–CaO–FeO–Fe2O3–MgO–NiO–SiO2 (Al–Ca–Fe– Mg–Ni–O–Si) à une pression totale de 1 atm et pour une large gamme de températures et de pressions partielles d'oxygène. La modélisation thermodynamique a été réalisée à l'aide du logiciel thermochimique FactSage et de ses bases de données. Toutes les phases solides et liquides de 4 systèmes binaires: CaO-NiO, MgO-NiO, NiO-SiO2, Al2O3-NiO, 7 systèmes ternaires: CaO-MgO-NiO, CaO-NiO-SiO2, MgO-NiO-SiO2, Al2O3-NiO-SiO2, Al2O3- MgO-NiO, Al2O3-FeO-Fe2O3, FeO-Fe2O3-NiO, 5 systèmes quaternaires: CaO-MgO-NiO-SiO2, Al2O3-FeO-Fe2O3-NiO, FeO-Fe2O3-MgO-NiO, FeO-Fe2O3-NiO-SiO2, CaO-FeO-Fe2O3-NiO, et 2 systèmes quinaires, Fe-Mg-Ni-O-Si et Ca-Fe-Ni-O-Si, du système chimique multi-composant ont été optimisées dans la présente étude. Les optimisations sont auto-cohérentes et compatibles avec les bases de données existantes FToxid et FSstel du logiciel FactSage. Les modèles utilisés sont basés sur la structure de la solution considérée. Le Modèle Quasichimique Modifié, qui prend en compte l'ordre à courte distance entre les cations seconds voisins, a été utilisé pour la phase de scories (oxyde fondu). Des modèles basés sur le « Compound Energy Formalism » ont été développés pour les solutions solides d'olivine, de spinelle et de pyroxène. Un modèle de mélange aléatoire simple avec une expansion polynômiale de l'énergie de Gibbs en excès a été utilisé pour les solutions solides de monoxyde et de corindon. Un ensemble de fonctions d'énergie de Gibbs auto-cohérentes a été obtenu qui assure la meilleure description possible des propriétés thermodynamiques et des équilibres de phases dans le système chimique considéré. Les données de la littérature sont reproduites dans les limites de l'erreur expérimentale. En utilisant les paramètres du modèle optimisés, des prévisions très utiles des équilibres de phases dans les systèmes multi-composants ont été réalisées. Les propriétés des solutions de spinelle, de monoxyde, d'olivine et de corindon dans les systèmes chimiques Al–Fe–Ni–O, Al–Mg–Ni–O, Fe–Mg–Ni–O, Ca–Fe–Ni–O et Fe–Mg–Ni–O–Si et de la phase de scories dans le système Ca–Fe–Ni–O–Si ont été prédites uniquement à partir des paramètres des modèles optimisés pour les solutions binaires (ternaires) correspondantes. La comparaison ultérieure avec les données thermodynamiques et d'équilibres de phases disponibles a montré que les modèles ayant un sens physique que nous avons appliqués ont une excellente capacité à prédire les relations de phases dans les systèmes multi-composants. De cette façon, nous avons démontré l'efficacité de l'approche appliquée consistant en un couplage entre les expériences et la modélisation. La base de données actuelle a été incorporée dans les bases de données existantes de FactSage. Ainsi, la gamme d'applications des bases de données de FactSage a été élargie, et les bases de données existantes ont été mises à jour pour décrire les données expérimentales d'intérêt industriel les plus récentes et les plus précises. La base de données obtenue couplée à un logiciel de minimisation de l'énergie de Gibbs permet de prédire les équilibres de phases de liquidus et de solidus ainsi que certaines propriétés thermodynamiques dans les conditions (gamme de compositions, de températures et de pressions partielles d'oxygène) les plus utiles pour les opérations métallurgiques et les pratiques d'ingénierie. La base de données est pertinente pour plusieurs types de procédés pyrométallurgiques pour les minérais lattéritiques comme le procédé de ‘'reduction roasting'' ou le procédé de ‘'electric furnace smelting''.  ABSTRACT: An extensive collaborative research program was focused on the development of a self-consistent thermodynamic database for simulation of nickel extraction from laterite ores. Chemical systems relevant to laterite ore processing were experimentally investigated and thermodynamically optimized. In general, laterite ore deposits consist of heterogeneous mixtures of hydrated iron oxides and hydrous magnesium silicates. The basis of the laterite ore is olivine (Fe,Mg)2SiO4, which often contains small amounts of nickel due to the proximity of ionic radii of Fe2+, Mg2+ and Ni2+. Existing technologies that currently produce nickel worldwide utilize only about half of the nickel laterite deposits; other sources are not utilized due to complex mineralogy. For creation of cost-effective, environmentally-friendly and energy-efficient processes of Ni recovery from laterite ores, it is important to be able to perform reliable calculations of phase equilibria in the Al–Ca–Cr– Fe–Mg–Ni–O–Si system, where Fe, Al2O3, MgO, NiO and SiO2 are the major components of slags and oxide phases in nickel pyrometallurgy. The current research program met this challenge. It was aimed to develop a thermodynamic database for NiO-containing oxide systems in the Al2O3–CaO–FeO–Fe2O3–MgO–NiO–SiO2 (Al– Ca–Fe–Mg–Ni–O–Si) multi-component system at high temperature of interest to nickel pyrometallurgical processes. The project was accomplished by the joint efforts of two research groups. The database development was carried out at the Centre for Research in Computational Thermochemistry, Montreal, Canada by means of thermodynamic modeling, which was closely related to experimental study of phase equilibria performed by our colleagues from the Pyrometallurgy Research Centre (PyroSearch), Brisbane, Australia. This collaborative approach greatly increased the effectiveness of the overall program by reducing the amount of the required experimental work and providing specific experimental data for thermodynamic modeling. Thermodynamic assessments were applied to identify priorities for experiments and experimental measurements were planned to provide specific data for thermodynamic modeling. A literature review and critical assessment of the previously published thermodynamic and phase equilibrium data on the NiO-containing systems were performed using thermodynamic modeling. The parameters of the models were optimized to fit a large variety of the literature data collected from the literature, including phase equilibrium data, thermodynamic properties (heat capacity, entropy, enthalpy, Gibbs energy) and cation distribution data. However, for several low-order sub-systems, data were missing in the literature because they are of no direct importance for practical applications. In case there was not enough data to constrain the model parameters, or significant discrepancies in the available data were revealed, an experimental program was suggested to our colleagues from the PyroSearch Centre. A limited number of experimental measurements were planned for temperatures and compositions which were found to be most useful for thermodynamic modeling. In this way, the amount of the work required to obtain an accurate thermodynamic description of a multicomponent system was significantly reduced. The experimental procedure involved the high-temperature equilibration in controlled gas atmospheres and ultra rapid quenching followed by electron probe X-ray microanalysis (EPMA) of quenched samples. Since the analysis took place after equilibration, the changes in composition during equilibration did not affect the accuracy of the results. Tie-lines between equilibrated liquid and solid phases were measured directly, providing essential data for subsequent thermodynamic modeling. The whole set of experimental data, including the new experimental results and previously published data, was taken into consideration in thermodynamic modeling of oxide phases in the Al2O3–CaO–FeO–Fe2O3–MgO–NiO–SiO2 (Al–Ca–Fe–Mg–Ni–O–Si) multi-component system at a total pressure of 1 atm and a wide range of temperatures and oxygen partial pressures. The thermodynamic modeling part was undertaken using the FactSage thermochemical software and its databases. All solid and liquid phases of 4 binary: CaO-NiO, MgO-NiO, NiO-SiO2, Al2O3-NiO, 7 ternary: CaO-MgO-NiO, CaO-NiO-SiO2, MgO-NiO-SiO2, Al2O3-NiO-SiO2, Al2O3-MgO-NiO, Al2O3-FeO-Fe2O3, FeO-Fe2O3-NiO, 5 quaternary: CaO-MgO-NiO-SiO2, Al2O3-FeO-Fe2O3-NiO, FeO-Fe2O3-MgO-NiO, FeO-Fe2O3- NiO-SiO2, CaO-FeO-Fe2O3-NiO, and 2 quinary systems, Fe-Mg-Ni-O-Si and Ca-Fe-Ni-O-Si, of the multi-component chemical system were optimized in the present study. The optimizations are self-consistent and consistent with existing FToxide and FSstel metallic databases of the FactSage software. The applied models are based on the structure of the corresponding solution. The Modified Quasichemical Model, which takes into consideration second-nearest-neighbor short-range cation ordering, was used for the slag (molten oxide) phase. The models based on the Compound Energy Formalism have been developed for the olivine, spinel and pyroxene solid solutions. A simple random mixing model with a polynomial expansion of the excess Gibbs energy was used for the monoxide and corundum solid solutions. A set of self-consistent Gibbs energy functions was obtained that provides the best possible description of thermodynamic properties and phase equilibria in the chemical system. The literature data are reproduced within experimental error limits. Using optimized model parameters, valuable predictions of phase equilibria in the multicomponent systems have been made. The properties of the spinel, monoxide, olivine and corundum solutions in the Al–Fe–Ni–O, Al–Mg– Ni–O, Fe–Mg–Ni–O, Ca–Fe–Ni–O and Fe–Mg–Ni–O–Si chemical systems and of slag in the Ca– Fe–Ni–O–Si system have been predicted solely from the optimized model parameters for the corresponding binary (ternary) solutions. The subsequent comparison with available thermodynamic and phase equilibrium data has shown that applied physically meaningful models have excellent ability to predict phase relations in multicomponent systems. In this way, the effectiveness of the applied coupled experimental/modeling approach has been demonstrated. The current database has been incorporated into the existing FactSage databases. By this means, the range of applications of FactSage databases has been expanded, and the existing databases have been updated to describe the most recent and accurate experimental data of interest to industrial operations. The obtained database along with software for Gibbs energy minimization allows the prediction of liquidus and solidus phase equilibria as well as thermodynamic properties under the conditions, such as range of compositions, temperatures and oxygen partial pressures, which are most useful for metallurgical operations and engineering practice. The database is relevant to various kinds of pyrometallurgical processes for laterite ores, such as reduction roasting as well as electric furnace smelting.


identifier: Shishin, D. (2013). Development of a Thermodynamic Database for Copper Smelting and Converting  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'introduction de la modélisation thermodynamique dans la pratique de la production pyrométallurgique du cuivre pourrait augmenter significativement l'efficacité économique et le respect de l'environnement par l'industrie. Une base de données thermodynamiques fiable, en combinaison avec le logiciel de minimisation de l'énergie de Gibbs, est capable de prédire le bilan énergétique, la distribution des éléments, les transformations de phases au cours du procédé chimique. Mis en œuvre dans le couplage contrôle/simulation, la base de données thermodynamiques et le logiciel pourront réhausser l'automatisation du procédé à un nouveau niveau. L'objectif de cette thèse est le développement de la base de données capable de prédire les propriétés thermodynamiques et les équilibres de phases dans le système chimique de base pour la production pyrométallurgique du cuivre, à savoir le système Al–Ca–Cu–Fe–Mg–O–S–Si. Cela implique l'évaluation critique et l'optimisation thermodynamique des données expérimentales disponibles pour toutes les phases. La base de données est auto-cohérente, c'est-à-dire que les phases solides, liquides et gazeuses sont évaluées simultanément. 4 systèmes binaires, 5 systèmes ternaires, 7 systèmes quaternaires, 2 systèmes quinaires et 1 système à six composants ont été évalués ou réévalués. Le projet est réalisé en étroite collaboration avec le groupe Pyrosearch (Université de Queensland, Australie), qui a effectué des expériences cruciales. Certains des systèmes mentionnés ci-dessus ont été optimisés avec T. Hidayat. En outre, 4 systèmes ternaires et 5 systèmes quaternaires ont été optimisés par T. Hidayat en collaboration avec le présent auteur et ont été rapportés dans une autre thèse de doctorat [1]. En particulier, les phases du métal liquide et de la matte ont été décrites comme une solution unique en utilisant le Formalisme Quasichimique Modifié dans l'approximation des paires. La solution a été construite en utilisant un sous-réseau et les espèces non chargées: (CuI, CuII, FeII, FeIII, O, S). De cette façon, le modèle est capable de décrire un large écart à la stoechiométrie de la phase sulfurée en direction de l'excès de métal ou de l'excès de soufre et d'oxygène. La solubilité de l'oxygène dans la phase sulfurée est correctement décrite. Le modèle prend en compte l'existence de compositions d'ordonnancement maximal à courte distance entre premiers voisins au voisinage de Cu2O, CuO, FeO, Fe2O3, Cu2S et FeS et il prédit les changements drastiques de P(O2) et P(S2) à ces compositions. Il évalue précisément les solubilités du soufre et de l'oxygène dans la zone métallique de la solution. Il peut être utilisé pour prédire les équilibres solides-liquides dans les systèmes chimiques contenant les phases d'oxyde et de sulfure à des pressions partielles d'oxygène faibles et élevées. La solution de laitier est modélisée à l'aide du Formalisme Quasichimique Modifié dans l'approximation des quadruplets. Les cations sont chargés et placés sur un sous-réseau séparé de celui des anions : (Al3+; Ca2+, Cu1+, Fe2+, Fe3+, Mg2+, Si+4)(O2-, S2-). Ce modèle tient compte de l'ordre à courte distance entre les cations seconds voisins {cations basiques (Ca2+, Fe2+, etc.) et acides (Si4+)}, tandis que l'ordre à courte distance entre les premiers voisins est supposé être complet. Les bases de données pour les sous-systèmes d'oxydes optimisées auparavant, ré-optimisées et récemment obtenues ont été combinées et complétées avec les composants à base de soufre. La base de données de laitier résultante est capable de décrire les relations de phases dans les systèmes d'oxydes, ainsi que les capacités du soufre. L'effet du soufre sur la solubilité du cuivre dans les scories est démontré et modélisé. Ceci est d'une importance primordiale pour l'industrie qui s'efforce d'éviter les pertes de cuivre dans les scories. L'effet du calcium sur la solubilité du cuivre et du soufre dans le laitier de fayalite est modélisé quantitativement pour la première fois. Le cuivre et le calcium sont ajoutés dans la base de données de la spinelle d'une manière thermodynamiquement compatible. La base de données de la spinelle peut être utilisée pour estimer l'usure des matériaux réfractaires et pour surveiller les conditions permettant d'éviter la précipitation de spinelle ; cette dernière pouvant provoquer l'occlusion des réacteurs. Cette base de données est capable de prédire la distribution des cations entre les sous-réseaux ; ce qui est important pour les applications électroniques. La capacité prédictive de la base de données est testée au cours de la simulation d'un four de fusion. Les résultats des calculs sont comparés aux données d'usine. Un très bon accord est démontré lors de l'estimation des bilans d'énergie et de matière et lors de la prédiction des distributions d'éléments entre les sorties du four. Ainsi, la base de données thermodynamiques pour les applications dans la production pyrométallurgique du cuivre que nous avons développée dans le cadre de ce projet est la plus précise et la plus complète au monde. Elle est destinée à être utilisée avec le logiciel FactSageTM. En utilisant les méthodes affinées dans cette étude, d'autres éléments peuvent être facilement ajoutés à la base de données. Les travaux se poursuivent actuellement par l'ajout de Co, Pb, Ni et Zn.  ABSTRACT: Introduction of thermodynamic modeling into the practice of the pyrometallurgical copper production may significantly increase the economic efficiency and environmental friendliness of the industry. A reliable thermodynamic database in combination with the Gibbs energy minimizing software is able to predict the energy balance, distribution of elements, phase transformations during the chemical process. Implemented in the control/simulation package, such thermodynamic database and software will be able to raise the process automation to a new level. The goal of this thesis is the development of the database able to predict the thermodynamic properties and phase equilibria in the basic chemical system for the pyrometallurgical copper production, which is the Al–Ca–Cu–Fe–Mg–O–S–Si system. This involves the critical evaluation and thermodynamic optimization of available experimental data for all phases. The database is self-consistent, i.e. solid, liquid and gas phases are assessed simultaneously. 4 binary, 5 ternary, 7 quaternary, 2 quinary and 1 six-component system were evaluated or re-evaluated. The project is performed in close collaboration with the Pyrosearch group (University of Queensland, Australia), who performed some crucial experiments. Some of the above-mentioned systems were optimized together with T. Hidayat. In addition, 4 ternary and 5 quaternary systems were optimized by T. Hidayat in co-operation with the present author and reported in another Ph.D. thesis [1]. In particular, liquid metal and matte phases were described as one solution using the Modified Quasichemical Formalism in the pair approximation. The solution was built using one sublattice and uncharged species: (CuI, CuII, FeII, FeIII, O, S). In this way, the model is able to describe wide deviations from stoichiometry in the sulfide phase towards excess metal or excess sulfur and oxygen. The oxygen solubility in the sulfide phase is correctly described. The model takes into account the existence of compositions of maximum first nearest neighbor short-range ordering near Cu2O, CuO, FeO, Fe2O3, Cu2S and FeS and predicts the drastic changes in P(O2) and P(S2) at these compositions. It accurately estimates the solubilities of sulfur and oxygen in metal region of the solution. It can be used to predict solid-liquid equilibria in chemical systems containing sulfide and oxide phases at low and high oxygen partial pressures. The slag solution was modeled within the Quasichemical Formalism in quadruplet approximation. Cations are charged and placed in a separate sublattice from anions: (Al3+, Ca2+, Cu1+, Fe2+, Fe3+, Mg2+, Si+4)(O2-, S2-). The model of this type takes into account the second nearest neighbor short-range ordering between basic (Ca2+, Fe2+, etc.) and acidic (Si4+) cations, while the first nearest neighbor short range ordering between metals and non-metals is assumed to be complete. Previously optimized, re-optimized and newly obtained databases for oxide subsystems were combined together and complemented with sulfide components. The resulting slag database is able to describe phase relations in oxide systems, as well as sulfide capacities. The effect of sulfur on the solubility of copper in slag is demonstrated and modeled. This is of primary importance for the industry which is trying to avoid copper losses into slag. The effect of calcium on the solubility of copper and sulfur in fayalite slag is modeled quantitatively for the first time. Copper and calcium were added into the spinel database in a thermodynamically consistent way. The spinel database may be used to estimate the wearing of refractory materials and to monitor the conditions to prevent the spinel precipitation, which might cause occlusions of reactors. It is able to predict cation distribution between sublattices, which is important for electronic applications. The predictive ability of the database was tested during the simulation of a smelting furnace. The calculation results are compared with the plant data. Very good agreement is demonstrated in the estimation of energy and mass balance and in the prediction of element distributions between outputs of the furnace. Thus, the thermodynamic database for the applications in the pyrometallurgical production of copper, developed during the course of this project, is the most accurate and complete in the world. It is intended to be used with the FactSageTM software. Using the methods, refined in this study, more elements can be easily added to the database. The work currently continues on the addition of Co, Pb, Ni and Zn to the database. [1] T. Hidayat, "Equilibria Study of Complex Silicate-based Slag in the Copper Production," Ph.D. thesis, The University of Queensland, 2013.


identifier: Barbier, T. (2013). Optimisation de la stratégie et du dimensionnement des systèmes hybrides éoliens, diesel, batterie pour sites isolés  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Imaginons que nous venons de découvrir une ressource exploitable dans le nord du Québec (Canada) à environ 1000 km de tout réseau d'approvisionnement en électricité. Nous allons rapidement nous demander comment fournir l'électricité nécessaire à son exploitation. La construction et l'entretien d'une ligne de transport jusqu'au réseau le plus proche rendrait le projet non rentable. La seule solution envisageable est de produire l'électricité de manière locale et autonome. Ce besoin concerne de nombreux sites isolés dans le monde parmi lesquels des villages autochtones, stations de communication, sites d'extraction de matière première ou encore camps militaires . Les experts prévoient ainsi un marché de 10 milliards de dollars vers 2020 pour l'approvisionnement en énergie de ces sites isolés. Les sites isolés sont traditionnellement alimentés en électricité par des génératrices diesel très coûteuses en carburant et de par son acheminement. En plein essor et poussé par une volonté d'énergie renouvelable, l'éolien a commencé à être implanté dans les années 1990. Quelques années de mise au point ont été nécessaires pour que cette technologie soit maintenant parfaitement implantée dans quelques sites isolés. Avec les progrès effectués, le stockage par batteries devient une solution insistante pour palier à l'intermittence de l'éolien et donc réduire encore plus l'utilisation des génératrices diesel. De nombreux modèles de systèmes hybrides diesel - éolien - batterie ont ainsi été développés pour déterminer leur potentiel et leur faisabilité. A cause de l'hybridation, ces modèles exigent une stratégie de contrôle pour déterminer à chaque instant la répartition de la fourniture d'électricité entre les trois éléments. Le défi de l'optimisation des sites isolés est de de trouver simultanément le dimensionnement et la stratégie de contrôle. Dans notre approche nommée OGESO pour Off-Grid Electricity Supply Optimization, nous modélisons le système hybride à l'aide de la programmation linéaire en nombres entiers (PLNE). La résolution de ce modèle sur des données horaires déterministes d'un an de demande et de vent nous permet d'obtenir le dimensionnement et la répartition optimale pour cette année de données sans avoir à fixer de stratégie. Nous appliquons ensuite l'extraction de données (data mining) à cette répartition optimale d'un an afin d'en extraire une stratégie appropriée. Notre approche couplant PLNE et data mining  est nouvelle et permet de lier l'optimisation de la stratégie à celle du dimensionnement. Grâce à cette stratégie adaptée, nous exploitons mieux le potentiel des systèmes hybrides et nos systèmes sont mieux optimisés que par les logiciels usuels de simulation comme HOMER.  ABSTRACT: Imagine you have just discovered a workable resource in the north of Québec (Canada), which is 1000 km away from any electrical grid. You will rapidly wonder how to supply electricity to exploit it. The high extension cost of the grid leaves only one alternative: to produce the energy locally and autonomously.  As mining increases in remote areas in wide countries such as India or China, the number of such isolated sites will rise. Experts predict an energy market of \$10B for this type of site by 2020. Traditionally electricity was guaranteed by diesel generation. This technology is easy to implement but is also very expensive because of fuel price and transportation. Moreover it is in opposition to the objective of increased use of green energy. The use of wind turbines in remote areas in order to reduce fuel consumption by wind was proposed in 1990s. After some years of adjustment, this technology was mature and is now widely used in Alaska off-grid sites. Batteries have recently known great progress and are a solution against wind intermittency. Its may further reduce the use of diesel generators. Thus a lot of models composed of wind, diesel and batteries have been developed to determine their potential and feasibility. These hybrid systems can work only because of an operation strategy.  This strategy is established by deciders and states the rules of the system: when and how dispatching energy from the 3 elements. The challenge in hybrid systems optimization is to find both optimal sizing and optimal strategy, which are linked and influence each other. Additionally the optimization is made through stochastic wind and load data's. We use Mixed Integer Programming (MIP) in order to eliminate the need to choice a strategy. Because we give what the wind and load would be for a whole year, MILP find optimal sizing and optimal dispatch for this year. It is not a strategy but what we would have done at each hour in the year to have the perfect dispatch. One year optimal dispatch represents the reference from which data mining will be applied to get an appropriate strategy. Our approach of MIP and data mining coupling which we call OGESO for Off-Grid Optimization Electricity Supply Optimization is new and make hybrid system used more effectively with this more accurate strategy. Thus system works cheaper and project costs are better than simulation softwares usually used in hybrid system design like HOMER.


identifier: Boulay, A.-M. (2013). Développement méthodologique et application du concept de l'empreinte eau en ACV  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'Analyse du Cycle de Vie (ACV) est une méthodologie qui quantifie les impacts environnementaux potentiels à des fins comparatives dans un contexte de prise de décision. Alors que les impacts environnementaux potentiels liés aux émissions de polluants à l'eau sont déjà caractérisés en ACV, les impacts potentiels d'une utilisation et d'une subséquente baisse de disponibilité d'eau ne sont pas encore complètement quantifiés. En effet, alors qu'une utilisation d'eau peut rendre la ressource non disponible par un déplacement (incluant évaporation) ou une baisse de la qualité, cette dernière n'est pas considérée dans les modèles existants.  Une baisse de disponibilité d'eau pour les usagers humains peut potentiellement affecter la santé humaine si les usagers ne peuvent pas s'adapter pour subvenir à leurs besoins. Les impacts sur la santé humaine ont lieu selon deux chaînes cause-à-effet : les maladies liées à l'eau, lorsque les usagers domestiques subissent la baisse de disponibilité, et/ou la malnutrition, lorsque la baisse affecte les usagers qui produisent de la nourriture (manque d'eau pour l'irrigation ou les pêches/aquaculture). Cette thèse remplit donc les cinq objectifs principaux suivants: 1) fournir une méthode d'inventaire et 2) d'évaluation des impacts pour quantifier ces dommages sur la santé humaine dans un cadre ACV, 3) effectuer une comparaison du modèle avec les modèles existants, 4) fournir une application sur une étude de cas et 5) évaluer le modèle et quantifier l'incertitude.  Modèle d'inventaire Pour quantifier la baisse de disponibilité de l'eau due à la dégradation, la qualité de l'eau entrante et sortante doit être captée par les flux d'inventaire. Dans le cadre de ce projet, une méthode d'inventaire est établie permettant de catégoriser la qualité de l'eau afin de pouvoir quantifier un changement de celle-ci et le changement de fonctionnalité correspondant. La fonctionnalité est définie par les différents usagers humains qui peuvent l'utiliser sans risques et sans traitements supplémentaires. Des catégories d'eau qui considèrent la qualité de l'eau sont d'abord définies par la source d'eau (surface, souterraine ou eau de pluie), des paramètres qualités et les utilisateurs pour qui chaque catégorie est fonctionnelle. Les besoins des utilisateurs sont identifiés par une liste de paramètres bio et physico-chimique et les seuils maximaux possibles par contaminant pour chaque utilisateur. Ces seuils sont basés sur des normes internationales, recommandations et normes industrielles. Sur la base de la qualité et des sources d'eau, dix-sept catégories sont crées en regroupant les besoins des utilisateurs selon le niveau de contamination toxique ou microbienne que l'utilisateur peut tolérer (faible, moyen et élevé). Le processus résulte en huit catégories pour l'eau de surface, huit pour l'eau souterraine et une pour l'eau de pluie. Chaque catégorie est définie par jusqu'à 136 paramètres de qualité et permet d'établir les utilisateurs pour lesquels l'eau est fonctionnelle. Ces catégories d'eau permettent de qualifier les flux d'eau à l'étape d'inventaire, afin d'être utilisés avec un modèle d'évaluation des impacts potentiels associés à une baisse de fonctionnalité pour les utilisateurs humains, modèle qui fait l'objet de la prochaine étape du projet.  Modèle d'évaluation des impacts Le modèle proposé prend en compte l'eau prélevée et rejetée, sa qualité et sa rareté afin d'évaluer la perte de fonctionnalité pour les autres usagers. Cette perte de fonctionnalité est ensuite multipliée avec deux paramètres : 1) une capacité d'adaptation, qui détermine dans quelle mesure l'eau non-disponible pourra être compensée par le biais de moyens financiers (ex : désalinisation), et 2) un facteur d'effet qui quantifie les impacts sur la santé humaine causés par la perte de fonctionnalité qui ne peut être compensée (i.e.: malnutrition ou maladies associées à un manque d'accès à l'eau).   Les impacts sur la santé humaine d'une utilisation d'eau, menant à une baisse de disponibilité d'eau pour les usages humains (domestiques, agricoles, ou pêches/aquaculture) sont présentés à l'échelle mondiale en résultats régionalisés et exprimés en années de vie perdue équivalentes. Un cadre pour l'évaluation des impacts causés par les moyens compensatoires dans les régions pouvant s'adapter est présenté en addendum. Comparaison des modèles L'évaluation du modèle développé dans ce projet a été effectuée à travers une comparaison systématique avec des modèles publiés dans la littérature et qui couvrent les mêmes chaînes cause-à-effet, notamment la rareté d'eau et les impacts d'un manque d'eau sur la santé humaine. Le but était de 1) identifier les choix de modélisation clés qui expliquent les différences principales entre les modèles, 2) quantifier l'importance des différences entre les modèles, incluant l'évaluation de l'incertitude associée et 3) discuter les choix méthodologiques principaux et fournir des recommandations pour orienter les développements méthodologiques futurs et les efforts d'harmonisation.  Les résultats ont permis d'identifier les choix de modélisation qui influencent significativement les indicateurs et qui doivent être analysés davantage et harmonisés, tels que l'échelle géographique à laquelle l'indicateur de rareté est calculé, la source de données d'entrées du modèle et la fonction qui décrit la rareté d'eau en fonction de la fraction d'eau disponible prélevée (WTA) ou consommée (CTA).  L'inclusion ou l'exclusion des impacts liés à la privation d'eau pour les usagers domestiques et l'inclusion ou l'exclusion du “trade effect” influencent les résultats d'impacts sur la santé humaine.  De plus, tant au niveau problèmes que dommages, la comparaison a démontré que de considérer une réduction de disponibilité due à une dégradation de l'eau affecte significativement les résultats.  D'autres choix ont été analysés et sont moins significatifs pour la majorité des régions du monde. Des cartes sont fournies pour identifier les régions où ces choix sont pertinents.  Application sur une étude de cas Le modèle développé est ensuite appliqué à une étude de cas sur l'empreinte eau d'un détergent à lessive, illustrant comment le modèle s'insère dans le concept de l'empreinte eau en complémentant les méthodes existantes adressant les différentes chaines cause-à-effet. En effet, l'intégration des différentes méthodes d'évaluation des impacts à l'intérieur d'une empreinte eau est toujours en cours et seulement quelques études de cas ont été publiées à ce jour illustrant le concept de façon exhaustive.  Alors que les industries sont de plus en plus intéressées à évaluer leur empreinte eau au-delà d'un simple inventaire de volumes d'eau consommée, ils sont à la recherche de directives quand à l'application et l'interprétation des différentes méthodes disponibles.  Le modèle développé est également évalué et comparé à d'autres modèles adressant les mêmes chaines cause-à-effet. Une discussion sur l'applicabilité des différentes méthodes dans un contexte d'empreinte eau aborde les sujets tels que la définition des flux d'inventaire, la disponibilité des données, la régionalisation et l'inclusion des systèmes de traitements d'eau usée.  Le concept de l'empreinte eau tel que décrit dans la norme DIS ISO 14046 est illustré par l'étude de cas en incluant les catégories d'impacts liées à la disponibilité et à la dégradation. Au niveau problèmes, celles-ci incluent la rareté, le stress et les indicateurs de pollution tels que l'eutrophication, l'acidification et la toxicité. Au niveau dommages, les impacts sur la santé humaine et les écosystèmes sont évalué pour un manque et une dégradation de l'eau. Des analyses de sensibilité sont réalisées sur les choix de modélisation les plus sensibles, identifiés dans la comparaison mentionnée ci-haut.  Validation du modèle et incertitudes Bien que les résultats du modèle ne puissent être validés directement avec des données réelles, une validation partielle de l'ordre de grandeur peut être effectuée en comparant les résultats que le modèle fournit si les impacts associés à toute l'eau consommée d'un pays sont évalués et comparées avec les données de l'Organisation Mondiale de la Santé décrivant les dommages sur la santé humaine liés à la malnutrition et au manque d'accès à l'eau. Ces données fournissent un seuil maximal, puisque ces impacts peuvent être causés par une utilisation d'eau ou d'autres causent, permettant d'identifier si les résultats du modèle se retrouvent dans un ordre de grandeur raisonnable. La comparaison montre que pour 75% et 71% des pays respectivement, les impacts évalués dus à la malnutrition et aux maladies liées à l'eau, sont en-dessous des données de l'OMS, tel que prédit. L'évaluation par le modèle à l'échelle mondiale donne une valeur du même ordre de grandeur que l'OMS pour les maladies liées à l'eau et un ordre de grandeur supérieur pour la malnutrition. Les incertitudes sont évaluées avec les données disponibles sur les paramètres d'entrée du modèle ou par des jugements d'experts, et elles sont comparées avec la variabilité spatiale du modèle à travers l'index UII (Uncertainty Increase Indicator), qui montre que l'incertitude intrinsèque du modèle est en général comparable ou supérieure à l'incertitude associée à variabilité spatiale à l'échelle du pays. Conclusion Cette thèse présente une méthode novatrice pour l'évaluation de l'inventaire et des impacts liés à une baisse de disponibilité causée par la consommation ou la dégradation de l'eau pour les usages humains en ACV. La méthode, qui représente une plus grande pertinence d'un point de vue logique en intégrant un plus grand nombre de paramètres et en offrant une plus grande complexité, a également démontré une différence dans les résultats obtenus. Le travail approfondi ensuite la compréhension du modèle et des autres modèles de rareté, stress et d'impacts sur la santé humaine en identifiant les choix de modélisations pertinents et les différences, permettant ainsi de quantifier l'incertitude du modèle et l'importance de ces choix dans un contexte régional spécifique, par l'utilisation de cartes mettant en évidence les régions où certaines analyses de sensibilité seraient pertinentes.  Décomposer les modèles existants et identifier les différences et similitudes, a permis d'identifier les principales composantes et ainsi supporter le développement éventuel d'une méthode consensuelle. Finalement, l'application à l'étude de cas a démontré que la méthode développée peut déjà être appliqué à un produit de détergent à lessive dans un contexte d'empreinte eau telle que présentée dans la norme ISO. La science et la disponibilité des données évoluent rapidement, mais les résultats obtenus permettent déjà aux entreprises d'identifier où dans le cycle de vie et dans le monde les impacts potentiels auront lieu.  En conclusion, malgré des incertitudes parfois élevées, un potentiel de surestimation des impacts dans certains pays, le besoin de données plus robustes et d'une meilleure opérationnalisation, ce travail contribue significativement à élargir les possibilités et l'exhaustivité de l'évaluation des impacts liés à l'utilisation de l'eau, et à la connaissance scientifique nécessaire pour appliquer, comprendre et développer davantage les modèles d'impacts.  ABSTRACT: Life cycle assessment (LCA) is a methodology that quantifies potential environmental impacts for comparative purposes in a decision-making context. While potential environmental impacts from pollutant emissions into water are characterized in LCA, impacts from water unavailability are not yet fully quantified. While water use can make the resource unavailable to other users by displacement (including evaporation) or quality degradation, this latter is not yet considered in existing models. A reduction in water availability to human users can potentially affect human health if users cannot adapt to meet their needs. Health impacts may occur via two main impact pathways: water-related diseases, when domestic users are deprived of water, and malnutrition, when food-producing users are deprived of water (agriculture and aquaculture/fisheries).  This thesis therefore meets these five main objectives: 1) an inventory and 2) impact model to quantify these potential damages to human health within an LCA framework, 3) a comparison of the model with other existing models, 4) an application on a case study and 5) an evaluation of the model and assessment of its uncertainty. Inventory model In order to assess a change in water quality and availability, the quality of the input and output inventory flows must be quantified. In the context of this project, an inventory method is established in order to categorize water quality and thus quantify a change, and the corresponding change in functionality. Functionality is defined by the different users by which the water can be used with no risks or additional treatments. Water categories that consider water quality are therefore defined by the source (surface, ground or rain), quality parameters and users for which the water is functional. A list of parameters was defined, and thresholds for these parameters were determined for each user. The thresholds were based on international standards, country regulations, recommendations and industry standards. Based on the quality and water sources, categories were created by grouping user requirements according to the level of microbial and toxic contamination that the user can tolerate (high, medium or low). Seventeen water categories were created: eight for surface water, eight for groundwater and one for rainwater. Each category was defined according to 136 quality parameters and the users for which it can be of use. These categories allow qualifying the water flows at the inventory level in order to be used with a model assessing potential water use impacts caused by a loss of functionality for human users, which was the following step of this project.  Impact assessment model The proposed model considers water that is withdrawn and released, its quality and scarcity in order to evaluate the loss of functionality for other users. This decrease in functionality is then multiplied by two parameters: 1) an adaptation capacity which determines how much of this decrease in water availability can be compensated through financial adaptation (ex: desalination), and 2) an effect factor to quantify the specific health impacts caused by the resulting loss that cannot be compensated for (i.e.: water-related diseases and/or malnutrition). World-wide regionalized results are presented for impacts on human health expressed in disability-adjusted life years (DALY). A framework for impact assessment caused by the use of backup technologies in regions able to adapt is presented in addendum.  Model comparison The model comparison that followed was performed on methods that describe similar impact pathways, namely water scarcity and human health impacts from water deprivation. The aim was to (i) identify the key relevant modeling choices that explain the main differences between characterization models leading to the same impact indicators; (ii) quantify the significance of the differences between methods, including the assessment of model uncertainty and (iii) discuss the main methodological choices and provide recommendations to guide method development and harmonization efforts.  The results determined the modeling choices that significantly influence the indicators and should be further analyzed and harmonized, such as the regional scale at which the scarcity indicator is calculated, the sources of underlying input data and the function adopted to describe the relationship between scarcity and the withdrawal-to-availability (WTA) or consumption-to-availability (CTA) ratios. The inclusion or exclusion of impacts from domestic user deprivation and the inclusion or exclusion of trade effects boteh influence human health impacts. At both midpoint and endpoint, the comparison showed that considering reduced water availability due to degradation in water quality, in addition to a reduction in water quantity, greatly influences results. Other choices are less significant in most regions of the world. Maps are provided to identify the regions in which such choices are relevant.  Case study application The model developed is then applied to a case study on the water footprint of a laundry detergent, illustrating how the model can be integrated in the water footprint concept while complementing existing methods addressing different impact pathways. Indeed, the integration of different water impact assessment methods within a water footprint concept is still ongoing and a limited number of case studies have been published presenting a comprehensive study of all water-related impacts. Although industries are increasingly interested in assessing their water footprint beyond a simple inventory assessment, they often lack guidance regarding the applicability and interpretation of the different methods available.  The model is also evaluated and compared to other models addressing impact pathways. A discussion on their applicability covers issues such as inventory flow definition, data availability, regionalization and inclusion of waste water treatment systems. Method-specific discussion covers the use of interim ecotoxicity factors, the interaction of scarcity and stress assessments and the limits of such methods and the geographic coverage and availability of impact assessment methods. Lastly, possible double counting, databases, software, data quality and integration of a water footprint within an LCA are discussed. The concept of water footprinting as defined by the forthcoming ISO Draft Standard, is illustrated through the case study of a load of laundry using water availability and water degradation impact categories. At the midpoint it covers scarcity, stress and pollution indicators such as eutrophication, acidification, human and eco-toxicity. At the endpoint, impacts on human health and ecosystems are covered for water deprivation and degradation. Sensitivity analyses are performed on the most sensitive modeling choices identified in the aforementioned model comparison. Model validation and uncertainty assessment Although the model results cannot be directly validated with actual data, a partial validation of the order of magnitude can be performed by comparing the results obtained by characterizing the entire consumed water volume of a country with the model with the World Health Organization (WHO) data for water-related diseases and malnutrition. This data provide an upper threshold for the model results, since these health damages can be caused by water consumption or other factors, and hence allow a validation of the order of magnitude of the model results. The comparison showed that for 75% and 71% of the countries respectively, impacts obtained from the model for malnutrition and water-related diseases are below the WHO data threshold, as predicted. The world-wide assessment results in values in the same order of magnitude as WHO data for water-related diseases, and one order of magnitude higher than WHO for malnutrition.  Uncertainties are assessed based on available data for the input parameters of the model or based on expert judgments, and they are compared with spatial variability within the UII (Uncertainty Increase Indicator), which shows that the model uncertainty is generally comparable or higher than the uncertainty associated with spatial variability at the country scale.  Conclusion This work presents a novel inventory and impact assessment approach for evaluating impacts from water consumption and water degradation on human health in LCA. The model, which integrates several new relevant parameters and presents a higher complexity level, also showed a difference in the results obtained.  It then deepens the understanding of the model and other existing models on scarcity, stress and human health impact by identifying the key relevant modeling choices and differences, making it possible to quantify model uncertainty and the significance of these choices in a specific regional context. Maps of regions where these specific choices are of importance were generated to guide practitioners in identifying locations relevant for specific sensitivity analyses in water footprint studies. Deconstructing the existing models and highlighting the differences and similarities has helped to determine building blocks to support the development of an eventual consensual method.  Finally, the case study application shows that the model developed can already be applied to a laundry detergent product within a water footprint, as proposed in the ISO draft standard. The science and the data availability are rapidly evolving, but the results obtained with present methods already enable companies to map where in the life cycle and in the world impacts might occur.  In conclusion, despite sometimes high uncertainties, a potential overestimation of impacts in certain countries, the need for more robust data and better operationalisation, this work contributed significantly to the comprehensiveness and possibilities of water use impact assessment, and to the scientific knowledge necessary to apply, understand and further develop impact models.


identifier: Keshtkar, M. J. (2013). Steam and Water Combined Analysis, Integration, and Efficiency Enhancement in Kraft Pulping Mills  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les principaux objectifs de cette thèse sont divisés en deux parties principales. Le premier objectif est de développer de nouvelles techniques d'intégration des procédés (IP) pour améliorer individuellement l'efficacité des systèmes d'eau et de vapeur, la performance des équipements, et le réseau d'échangeurs de chaleur (HEX) d'un procédé existant. Ces techniques sont validées en les appliquant au procédé Kraft. Le deuxième objectif est de développer une méthodologie d'amélioration de l'efficacité énergétique et de la consommation d'eau (SWAEI : Steam Water Analysis Enhancement Integration) d'un procédé en combinant les nouvelles techniques d'IP. Les études de cas sont établis pour trois usines Kraft opérant au Canada (usines A, B, et C) avec un large spectre de la répartition géographique, des produits et des matières premières. Des modèles de simulation de chacune des trois usines ont été développés sur la plate-forme CADSIM Plus et sont utilisés pour fournir des données pour l'analyse et intégrer les modifications proposées. Les usines de pâte et papier kraft constituent des importants utilisateurs d'eau et d'énergie thermique dans le secteur industriel canadien. Il y existe une forte interaction entre les systèmes de vapeur et d'eau. Pour diminuer les coûts de fabrication et accroître la rentabilité, il est nécessaire de réduire la consommation d'énergie et d'eau ainsi que les coûts de traitement des eaux usées. Avant de passer à l'étape de développement de nouvelles techniques d'IP et de la méthodologie SWAEI, une étape préalable est l'analyse comparative (benchmarking) pour donner un aperçu sur la consommation de vapeur et la performance du système d'eau. La mise au point d'une technique d'analyse comparative a permis de caractériser chaque étude de cas (i.e. les trois usines kraft) en termes de consommation d'eau et d'énergie. Dans cette technique, la consommation de vapeur et d'eau des usines sont étalonnées par rapport aux données de référence. Les trois cas sont comparés en termes d'eau et d'allocations de vapeur pour différents usages et aussi en termes des réseaux d'échangeur de chaleur de manière à souligner les similarités et les différences. Les potentiels d'économies d'eau et de vapeur sont résumés dans l'étape de synthèse. Les caractéristiques avantageuses d'une usine donnée sont utilisées pour v proposer des mesures de diminution de la consommation de vapeur et de l'eau pour une autre usine et vice versa. La première technique d'intégration développée est l'analyse simultanée des réseaux énergétiques et d'eau (SEWNA : Simultaneous Energy Water Network Analysis) qui se déroule en cinq étapes pour économiser la vapeur et l'eau en même temps. Une nouvelle approche pour identifier le volume de contrôle pour l'extraction des données est développée. Inévitablement, des effluents doivent être soutirés pour éviter l'accumulation de produits chimiques et de particules indésirables. Dans la ligne de traitement, le potentiel d'économie de vapeur est déterminé en tenant compte des contraintes existantes pour l'utilisation de l'eau et de filtrats. De nouvelles règles pour la réutilisation de filtrat sont présentées. La nouvelle d'analyse de l'utilisation de l'énergie et de l'eau peut être réalisée sous forme de tableau ou graphique pour identifier les mesures de réduction d'eau et de vapeur. La nouvelle représentation graphique des courbes de pincement de l'énergie et de l'eau est constituée des concentrations des contaminants et des courbes de température en fonction du débit pour tous les puits et les sources. L'eau économisée est systématiquement enlevée de la source d'origine du réseau de production d'eau chaude et tiède. Ceci élimine la consommation de vapeur pour la production d'eau chaude / eau tiède et fournit également l'eau plus chaude au réseau HEX existant. Enfin, une analyse économique est effectuée afin de calculer le coût de la tuyauterie pour les nouvelles connexions de réutilisation de l'eau. La méthode SEWNA a été appliquée sur les trois usines de pâte kraft et a permis d'estimer des économies importantes de vapeur et d'eau avec un retour sur investissement relativement court. Le total des économies d'eau et de vapeur de l'ordre de 24 à 54 % et 11 à 29 % respectivement, ont été obtenus par de simples modifications de tuyauterie. La seconde technique d'intégration des procédés développée est l'analyse de la performance des équipements (EPA : Equipment Performance Analysis). Elle permet la caractérisation, l'analyse et le diagnostic des équipements individuels ou des départements d'une usine du point de vue de la consommation de vapeur et d'eau. L'indicateur de performance clé (KPI : Key Performance Indicator) pour l'efficacité énergétique et / ou de la consommation d'eau de l'équipement ou d'un service est calculé et comparé à des données de référence. Les causes et les solutions probables sont établies pour les inefficacités. Cette technique a été appliquée à l'usine C. Sur la base des projets correctifs envisagés, la production de vapeur dans les chaudières peut être augmentée de vi 21% et également la consommation de vapeur et d'eau peuvent être réduites par 9% et 11 % respectivement. Les résultats obtenus de cette technique pourraient être une incitation pour évaluer en profondeur la performance des équipements sur site en entier. La troisième nouvelle technique d'intégration des procédés est la rétro-installation de la conception du réseau HEN (Retrofit - HEN) et se compose de quatre étapes successives. Les contraintes physiques et d'opération du procédé, notamment sur les températures des opérations unitaires les plus sensibles sont analysées. Une cible réaliste pour l'économie de vapeur est établie en fonction des contraintes et la classification des utilisateurs de vapeur. Les courants existants des échangeurs de chaleur sont évalués pour être utilisé plus efficacement dans le nouveau réseau. Pour utiliser plus efficacement la chaleur perdue, les courants sont classés comme hautement et faiblement corrosifs. Le HEN proposé est conçu en utilisant un nouvel algorithme en fonction de cinq heuristiques et règles pratiques. La technique a été appliquée sur le moulin C et une économie totale de vapeur de 38% a été obtenue. La méthodologie globale SWAEI (Steam Water Analysis Enhancement Integration) consiste en six étapes successives. Dans la première étape, le modèle de simulation du scénario de base est développé. Dans la deuxième étape, un pré-étalonnage (pre-benchmarking) est effectué en comparant la consommation de vapeur et d'eau avec des données de référence. Le coeur de la méthodologie est l'identification des projets d'amélioration de l'énergie et de l'eau en appliquant séquentiellement les techniques SEWNA, EPA et R- HEN. L'application séquentielle de ces techniques conduit à des résultats beaucoup plus grands d'économie de vapeur que si elles avaient été appliquées individuellement. Cette application séquentielle conduit à des projets complémentaires pour maximiser les économies de vapeur. L'excès de vapeur estimé peut être utilisé pour réduire ou éliminer la consommation de combustibles fossiles. Le reste de la vapeur en excès pourrait être vendue dans la communauté, produire de l'électricité en utilisant la cogénération ou une combinaison de cogénération et d'un système pompe à chaleur à absorption (tri-génération). Ces solutions de rechange pour l'utilisation de la vapeur en excès sont examinées du point de vue économique pour choisir la plus prometteuse pour la mise en oeuvre. Dans la cinquième étape, les projets identifiés sont priorisés et une stratégie de mise en oeuvre en deux phases est proposée. Dans la première phase, il est proposé de mettre en oeuvre les projets qui conduisent à la réduction des combustibles fossiles ou de leur élimination. Les autres projets vii proposés sont à mettre en oeuvre dans la deuxième phase afin d'économiser plus de vapeur pour la vente ou la production d'électricité. Enfin la sixième et dernière étape consiste en une postanalyse comparative menée afin de visualiser les zones d'amélioration. La méthodologie a été appliquée sur les trois usines et a donné 27, 33, et 66 % d'économies de vapeur et 38, 24, et 58 % pour les économies d'eau des usines A, B, et C respectivement.  ABSTRACT: The principle objectives of this thesis are divided into two main parts. The first key objective is to develop new process integration (PI) techniques to individually improve the efficiency of water and steam systems, the performance of equipment, and the heat exchanger (HEX) network of the existing water-based process. These techniques are validated by applying them to the Kraft process. The second objective is to develop a steam and water analysis enhancement and integration (SWAEI) methodology to improve the energy and water efficiency of a water-based process by combining the new PI techniques. The case studies are three Canadian Kraft mills (mills A, B, and C) with a broad spectrum of geographic distribution, products, and raw materials. A simulation of the three mills has been developed in the Cadsim Plus platform and is used to provide data for analysis and incorporate proposed modifications. The Kraft pulp and paper (P&P) mill is one of the major water and thermal energy users in the Canadian industrial sectors. It is also one of the water-based processes where there is large interaction between water and steam systems. To decrease manufacturing costs and increase profitability, it is necessary to reduce energy, water, and wastewater treatment costs. Before going through the development of new PI techniques and SWAEI methodology, a prerequisite step is benchmarking to give actual insights about current steam and water performance. A benchmarking technique characterizes the case studies (three Kraft mills) in terms of water and energy consumption. In this technique, the steam and water consumption of the mills are benchmarked against reference data. The cases are compared in terms of water and steam allocations for different uses and also in terms of the heat exchanger and water networks so as to indicate the similarities and differences. The potential for steam and water savings are summarized in the synthesis step. The advantageous characteristics of one case are used to propose the steam and water saving measures for another case and vise versa. The first developed PI technique is simultaneous energy and water networks analysis (SEWNA) that involves five steps to save steam and water at the same time. A new approach to identify the control volume for data extraction is shown. Inevitable effluents from the source pool are subtracted to prevent accumulation of chemicals and unwanted particles. In the process line, the ix potential for steam saving is determined considering the existing process constraints for water utilization and filtrate reutilization. The new rules for filtrate reutilization are presented. The new water and energy analysis can be performed either in tabular or graphical form to identify the water measures with respect to steam reduction. The new graphical Water and Energy Pinch Curves consist of contaminant concentration and temperature curves versus flowrate for all sinks and sources. The saved water is reduced systematically from the origin source of the hot and warm water production network. This eliminates steam consumption for hot/warm water production and also provides hotter and warmer water using the existing HEX network. Finally, the economic analysis is conducted to calculate the piping cost for new water reutilization connections. SEWNA has been applied on the three Kraft mills and resulted in significant water and steam savings with a reasonably short payback period. The total water and steam savings in the range of 24-54% and 11-29%, respectively, have been achieved by simple piping. The second developed PI technique is equipment performance analysis (EPA). It characterizes, analyzes, and diagnoses individual equipment or departments from the standpoint of steam and water consumption. The key performance indicator (KPI) for energy and/or water efficiency of equipment or a department is calculated and benchmarked against reference data. Probable causes and solutions are determined for inefficiencies. This technique has been applied to mill C. Based on probable remedial projects for improvement, the steam generation at the boilers can be increased by 21% and also steam and water can be saved by 9% and 11%, respectively. The results of this technique could be an incentive for in-depth and on-site performance analysis. The third new PI technique is the retrofit HEX network design (R-HEN) for a water-based process that consists of four successive steps. The physical and process constraints including hard and soft temperature of sensitive unit operations are analyzed. A realistic targeting for steam saving is conducted based on the constraints and the classification of steam users. The existing process stream HEXs are assessed to be used effectively in the new network. To utilize efficiently the heat of waste streams, they are categorized as high and low corrosive. The retrofit HEN is designed using a new algorithm according to five heuristic and practical rules. The technique has been applied on mill C. The total steam saving of 38% has been accomplished. x The steam and water analysis enhancement and integration (SWAEI) methodology consists of six successive steps. In the first step, the simulation model of the base case is developed. In the second step, pre-benchmarking is carried out by comparing the steam and water consumption with reference data. The core of methodology is the identification of the energy and water improvement projects by sequentially applying SEWNA, EPA, and R-HEN. Sequential application of these techniques results in significantly more steam saving than if they would have been applied individually. This sequential application leads to complementary projects to maximize steam saving. The excess steam is used to reduce or eliminate fossil fuel consumption. The remainder of excess steam could be sold to the local district, generate electricity using cogeneration or a combination of cogeneration and an absorption heat pump (trigeneration) system. These alternatives for using the remainder of excess steam are examined from the economical perspective to choose the most promising one for implementation. In step five, the identified projects are prioritized and the implementation strategy is proposed in two phases. In phase one, it is proposed to implement the projects that lead to fossil fuel reduction or elimination. The other projects are proposed to be implemented in the second phase to save more steam for selling or generating electricity. Finally, the post-benchmarking is conducted to visualize areas of improvement. The methodology has been applied on three mills and yielded 27, 33, and 66% steam savings and 38, 24, and 58% water savings for mills A, B, and C, respectively.