Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

Le réchauffement climatique est un problème majeur résultant de l'accumulation de gaz à effet de serre dans l'atmosphère, causée principalement par les activités humaines. Cela entraîne des conséquences graves telles que l'augmentation des températures, la fonte des glaces et des événements climatiques extrêmes. Ce phénomène met en danger notre environnement, la sécurité alimentaire, la santé publique et l'économie mondiale. Pour faire face à ce défi, il est crucial de réduire les émissions de gaz à effet de serre, de promouvoir l’énergie de sources renouvelables et de prendre des mesures d'adaptation. Une action collective à l'échelle mondiale est essentielle pour préserver notre planète et assurer un avenir durable. Ce mémoire de maîtrise présente le potentiel d’utilisation du concept de thermogénérateur dans certains processus industriels pour récupérer la chaleur perdue et dans le but de répondre partiellement et potentiellement à des cibles d’objectifs de développement durable du Programme 2030 des Nations Unies. L'objectif principal du mémoire est de proposer une solution efficace pour récupérer la chaleur fatale, qui est généralement perdue et envoyée à l’environnement dans les installations industrielles. Pour ce faire, deux concepts de thermogénérateur ont été conçus avec des méthodes distinctes et ceux-ci ont été testés à l’échelle de laboratoire pour évaluer le potentiel de conversion de la chaleur fatale en électricité. Un prototype utilise la technologie de projection thermique via Plasma Spray et l’autre utilise le concept de thermopile classique. Les performances du thermogénérateur ont d’abord été évaluées en termes de génération de tension (voltage) par différentes échelles de température et ensuite en puissance électrique. Ce travail détaille le développement des deux prototypes de thermogénérateur, avec l’évaluation de la génération d’électricité obtenue lors des essais. Il présente également une revue de littérature sur les différentes techniques menant à la production d’électricité, sur les technologies de récupération de chaleur des processus industriels, sur les thermogénérateurs, sur les technologies de projection thermique, sur le processus de production de boulettes de minerai de fer et sur les objectifs de développement durable. Un bilan de gaz à effet de serre appliqué à une usine de bouletage de minerai de fer a été réalisé afin de quantifier les bénéfices du projet dans une possible utilisation industrielle. En raison de la configuration géométrique du prototype utilisant la technologie de projection thermique, il n'a pas été possible d'évaluer efficacement son rendement énergétique. Principalement, l’absence de disponibilité commerciale pour l’acquisition de poudres et de fils semi-conducteurs pouvant servir à la projection thermique a limité la possibilité de créer un prototype fonctionnel avec cette technologie. Conséquemment, un prototype a été fabriqué en utilisant des poudres métalliques. Malheureusement, en raison du transfert rapide de chaleur à partir du substrat métallique, des pertes par effet Joule, d'un revêtement présentant une porosité élevée et d'une épaisseur réduite, il n'a pas été possible d’atteindre un gradient de température suffisant pour générer une quantité mesurable d'électricité. Le prototype basé sur le concept classique de thermopile offre une possibilité viable, bien que la génération d'électricité soit limitée. Cela s'explique en partie par l'utilisation de fils métalliques conducteurs plutôt que de matériaux semi-conducteurs, ce qui entraîne des pertes d'énergie importantes par effet Joule, réduisant ainsi la quantité totale d'électricité produite. Toutefois, en choisissant soigneusement les matériaux appropriés, il serait envisageable de réduire les émissions de gaz à effet de serre d'une usine de bouletage de minerai de fer de 3,78 %, dans un scénario d'utilisation d’un pays disposant d'une infrastructure thermoélectrique. Cette solution, qui nécessite plus de recherche et développement, peut contribuer à l’atteinte de cibles d’objectifs de développement durable des Nations Unies, notamment en luttant contre le changement climatique (Objectif 13) et en favorisant une énergie propre et abordable, ainsi qu’un mode de production plus durable (Objectifs 7 et 12). La récupération de la chaleur fatale des usines permet d'améliorer l'efficacité énergétique de l'industrie, de réduire la dépendance aux combustibles fossiles et d’atténuer l’impact environnemental (Objectifs 7 et 9). Le développement d’un thermogénérateur pouvant être utilisé à l’échelle industrielle constitue une innovation pouvant générer des emplois, stimuler l’entrepreneuriat et contribuer à la croissance des petites et moyennes entreprises (Objectif 8). À ces fins, la recherche et le développement de technologies capables de réaliser cet objectif contribuent à l’innovation et augmentent le nombre de personnes et entreprises travaillant dans les secteurs de recherche et développement (Objectifs 9 et 17).

Climate change represents a critical challenge stemming from the accumulation of greenhouse gases in the atmosphere, primarily driven by human activities. This issue results in severe consequences, including rising temperatures, ice cap melting, and extreme climatic events. This phenomenon poses a substantial threat to our environment, food security, public health, and the global economy. To address this pressing issue, it is imperative to reduce greenhouse gas emissions, foster the use of renewable energy sources, and implement adaptive measures. Global collective action is paramount to preserve our planet and ensuring a sustainable future. This master's thesis explores the potential application of thermogenerator concepts in specific industrial processes to use wasted heat, thereby contributing partially and potentially to the objectives outlined in the Sustainable Development Goals of the United Nations' 2030 Program. The primary aim of this thesis is to propose an effective solution for recuperating waste heat, which is typically dissipated into the environment in industrial facilities. To achieve this objective, two thermogenerator concepts were formulated using distinct methods and subjected to laboratory-scale testing to evaluate their capacity to convert waste heat into electricity. One prototype leverages thermal spray projection technology via Plasma Spray, while the other employs the classical thermopile concept. The thermogenerator's performance was initially assessed in terms of voltage generation across various temperature ranges and subsequently in terms of electrical power generation. This work meticulously outlines the development of both thermogenerator prototypes, along with a comprehensive evaluation of the electricity generation achieved during the testing phase. Additionally, it provides an in-depth literature review covering various techniques related to electricity generation, heat recovery technologies in industrial processes, thermogenerators, thermal spray projection technologies, the iron ore pellet production process, and sustainable development goals. A greenhouse gas assessment was conducted for an iron ore pelletizing plant to quantify the potential benefits of the project when applied in an industrial context. Due to the geometric configuration of the prototype using thermal spray projection technology, it was not possible to efficiently evaluate its energy efficiency. Mainly, the absence of commercially available powders and semiconductor wires for thermal spray projection limited the ability to create a functional prototype using this technology. Consequently, a prototype was fabricated using metallic powders. Unfortunately, due to the rapid heat transfer from the metallic substrate, losses by Joule effect, porosity on the coating, and a limited coating thickness, it was not feasible to attain a sufficient temperature gradient to generate a measurable quantity of electricity. The prototype based on the classic thermopile concept offers a viable opportunity, although with limited electricity generation. This limitation partly results from the use of conductive metallic wires rather than semiconductor materials, leading to significant losses by Joule effect and a reduced overall electricity output. However, with meticulous material selection, it becomes conceivable to reduce greenhouse gas emissions by 3.78% of an iron ore pelletizing plant located in a country using thermoelectric infrastructure. This solution, which requires further research and development, holds the potential to contribute to the United Nations' Sustainable Development Goals, particularly in climate change mitigation (Goal 13) and the promotion of clean and affordable energy, combined with a more sustainable mode of production (Goals 7 and 12). The recovery of wasted heat from industrial facilities enhances energy efficiency, diminishes reliance on fossil fuels, and mitigates environmental impact (Goals 7 and 9). The development of an industrial-scale thermogenerator constitutes an innovative approach that can generate employment opportunities, stimulate entrepreneurship, and facilitate the growth of small and medium-sized enterprises (Goal 8). Ongoing research and development of technologies designed to achieve these goals are instrumental in fostering innovation and expanding the involvement of individuals and businesses in research and development sectors (Goals 9 and 17).