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Contexte historique, repères et acteurs du développement durable. Concepts théoriques, modèles, indicateurs et mesures tels que : produit intérieur brut, indice de développement humain, Genuine Progress Indicators, empreinte écologique. Cadre légal : Loi 118, Loi sur la qualité de l'environnement du Québec, Loi sur les ingénieurs. Leviers et outils de mise en œuvre : responsabilité sociale des organisations, analyse de cycle de vie, écoconception. Outils de reddition de compte, certification : normes de l'Organisation internationale de normalisation et du Bureau de normalisation du Québec, Global reporting initiave, écolabel. Enjeux majeurs tels que : biodiversité, eau, sols, énergie, changements climatiques, industrie extractive, procédés de transformation, matières résiduelles, milieu bâti, transport, éthique, société. Défis et contraintes.

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Synthèse et méthodologie d'application des principes du développement durable (DD) à partir d'études de cas ou de problèmes rencontrés pour la prise en compte des relations environnementales, économiques et sociales propres à un produit, procédé ou service pendant tout son cycle de vie. Aspect méthodologique de la préparation d'un rapport de durabilité. Revue des critères d'écoconception. Application de l'analyse du cycle de vie selon les normes ISO14040 et suivantes. Rôle de l'ingénieur dans les débats de société. Connaissance des milieux de mises en œuvre des principes du DD. Exemples d'intégration des aspects à impacts durables dans les procédés de transformation et dans l'utilisation des produits et services. Exemples de l'influence de la source d'énergie utilisée pour développer une technologie, un produit ou un service sur leurs impacts de durabilité.

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Définition de l'énergie. Notions de base sur l'énergie. Les différentes sources primaires de l'énergie. Énergies fossiles: charbon, pétrole, gaz naturel. Énergie nucléaire. Énergies renouvelables : énergie hydraulique, énergie éolienne, énergie solaire, biomasse, énergie géothermale, énergie des déchets, fusion thermonucléaire. Notion de vecteur énergétique : électricité, chaleur, cogénération et trigénération, hydrogène, piles à combustible. Production, stockage, transport et utilisation de l'énergie. Rendement, coût et efficacité énergétique selon le type de sources. Relation entre source d'énergie et type de pollution. Gestion de l'énergie : avantages et inconvénients de la déréglementation de la distribution de l'électricité en Amérique du Nord. Énergie et recyclage des déchets. Économies d'énergie, perspectives d'avenir.

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Chimie de l'environnement : solutions, changements de phase, réactions acide-base, système carbonate, réactions d'oxydation. Thermodynamique chimique : 2e loi de la thermodynamique, réactions spontanées, entropie, énergie libre de Gibbs. Électrochimie : états d'oxydation, cellule voltaïques. Cinétique de réaction. Modélisation des réacteurs. Diffusion des polluants dans les liquides et les gaz. Microbiologie de l'environnement : types de microorganismes, techniques de comptage, microbiologie des eaux naturelles, des eaux potables et des eaux d'égouts.

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Étude détaillée de l'analyse du cycle de vie (ACV). Normalisation ISO 14040 et 14044. Définition des objectifs et du champ de l'étude. Analyse de l'inventaire : aspects mathématiques, approches ascendante et descendante, approches attributionnelle et conséquentielle, multi-fonctionnalité. Évaluation des impacts du cycle de vie : chaînes de cause à effet, modèles et facteurs de caractérisation, méthodologies d'évaluation des impacts du cycle de vie. Impacts et indicateurs environnementaux. Classification, caractérisation, normalisation et pondération. Interprétation des résultats : analyses de contribution, de sensibilité, d'incertitude, de scénario. Utilisation des bases de données et des logiciels d'ACV. Analyse critique d'une ACV publique. Réalisation d'un projet réel d'ACV dans le domaine de compétence de l'étudiant. Types d'études ACV : interne, rapport tierce partie, assertion comparative divulguée au public.

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Définition des concepts de continuité opérationnelle et de résilience. Processus normatifs appliqués à la continuité opérationnelle (BS, CSA, ISO). Meilleures pratiques de la gestion de continuité. Programmes de gestion de la continuité opérationnelle. Exemples d'application industrielle. Approches internationales de la résilience. Volets principaux de l'évaluation de la résilience. Intégration des mécanismes de gestion de la continuité opérationnelle. Méthodologie d'évaluation de la résilience. Applications pratiques gouvernementales, municipales et industrielles.

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Science économique, économie circulaire et bilan des flux de matières. Approche cycle de vie. Boucles de matières et perspectives de l'ingénieur. Déchets municipaux et recyclage : technologies, instruments incitatifs, politiques publiques, taxes, subventions, responsabilité élargie des producteurs, modèles théoriques et résultats empiriques, norme sociale, corruption, taille et densité des villes. Remise à neuf : modèles de location et théorie des contrats, droit de propriété, cannibalisation et compétition sur le marché secondaire. Écoconception : innovation et hypothèse de Porter, recyclabilité, réutilisabilité et durabilité, obsolescence programmée. Aspect international : marché et flux des matières, dépendance à la ressource, accords internationaux, commerce illégal et corruption, dons. Marché vert : éco-étiquetage et écoblanchiment. Sujets choisis en ingénierie tels que responsabilité sociale des entreprises, éco-industrie, lobbying environnemental.

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Spécificité du concept de développement durable en conception de produits et de procédés. Modélisation des produits par noeuds de composants fonctionnels et d'attachement. Amélioration des caractéristiques techniques du produit en vue d'en faciliter la transformation durant l'ensemble de son cycle de vie. Conception de procédés sains : aspects mécaniques et environnementaux.

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Thermodynamique et stockage de l'énergie. Efficacité du stockage et de la récupération de l'énergie. Différentes formes de stockage énergétique. Stockage chimique : biomasse, méthane et hydrogène. Stockage électrochimique : accumulateurs, condensateurs et piles à combustible. Stockage sous forme potentielle : hydraulique et air comprimé. Stockage sous forme cinétique : volant d'inertie. Stockage thermique : chaleurs sensibles et latentes. Stockage magnétique. Capacité et rendement des différents types de stockage. Enjeux technologiques et économiques du stockage. Intégration des systèmes de stockage dans la production et la distribution de l'énergie. Éléments d'intégration des systèmes d'énergie renouvelable. Spécifications et choix des composants d'intégration. Capacité d'intégration et fiabilité du réseau. Études de cas de systèmes isolés et de systèmes intégrés à un réseau existant.

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Types de biomasse et composition. Chimie de la biomasse. Conversion de la biomasse : physique, chimique, biologique, thermique. Produits à haute valeur ajoutée. Bioraffineries intégrées. Bioraffineries de première, deuxième et troisième génération. Différents produits chimiques. Synthèses organiques. Efficacité énergétique. Simulation et modélisation des procédés avec application au bioraffinage. Contribution de la biomasse au développement durable, réduction des gaz à effet de serre, politiques réglementaires. Crédits de carbone. Viabilité économique des bioraffineries.

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Principes fondamentaux des outils et techniques d'intégration des procédés : complexité et défis. Simulation de procédés de toute une usine en régime permanent et dynamique. Outils de pointe : réconciliation des données, analyse du pincement thermique, analyse du cycle de vie, modélisation empirique et analyse multivariable, modélisation de la chaîne d'approvisionnement et de la chaîne logistique. Études de cas industriels et utilisation d'outils d'intégration de procédés pour la résolution de projets industriels.

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Gestion des matières résiduelles solides : déchets domestiques, déchets dangereux, rebus industriels. Enfouissement, incinération, gazéification : plasma, pyrolyse. Biométhanisation, recyclage et valorisation. Énergie gaspillée/résiduelle, énergie thermique et chimique, génération de vapeur d'eau, ressources chaudes et formation d'électricité à partir de ressources à basse température : cycle de Rankine organique, pompage thermique.

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Transfert de chaleur en milieux poreux et fracturé, saturé et non saturé, avec et sans advection. Traçage thermique et mesures de terrain et de laboratoire en géothermie. Méthodes avancées d'interprétation des essais de réponse thermique. Conception des systèmes géothermiques utilisant des boucles ouvertes, des puits à colonne, des boucles fermées horizontales ou des piliers et fondations énergétiques. Interférence thermique et hydraulique. Efficacité énergétique, coûts de construction et optimisation financière. Modélisation couplée des processus thermique et hydraulique dans un champ géothermique. Stockage thermique souterrain. Utilisation des échangeurs géothermiques et des thermosiphons pour le refroidissement des pergélisols, des haldes et parcs à résidus, pour le chauffage des sols et la dégradation des contaminants organiques.

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Définitions de l'énergie électrochimique. Paramètres thermodynamiques et cinétiques. Différence entre piles à combustible, piles non rechargeables et rechargeables. Principe de fonctionnement des générateurs électrochimiques. Réactions aux électrodes. Tension, capacité et énergie théoriques. Effet des paramètres intensifs et extensifs. Énergie spécifique et densité d'énergie des systèmes réels. Caractéristiques et domaines d'applications des piles à combustibles : à électrolyte polymère solide, à acide phosphorique, en milieu alcalin, au carbonate fondu, à électrolyte oxyde solide, à consommation directe d'alcools. Cas de la pile à hydrogène. Bio-piles et bio-senseurs. Comparaison des performances des accumulateurs et des piles non rechargeables. Processus de charge et de décharge d'un accumulateur. Applications au véhicule électrique : enjeux technologiques et environnementaux, bilan énergétique, coût et impact sur les émissions de gaz de réchauffement.

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Énergie solaire photovoltaïque. Types et propriétés des matériaux utilisés pour la conversion photovoltaïque. Fabrication, principe de fonctionnement et performance des cellules selon le matériau et leur type de dispositif photovoltaïque. Évaluation et classification des cellules. Montage des modules photovoltaïques. Caractéristiques et performances selon la technologie. Lecture de la fiche technique d'un module. Caractéristiques de la batterie, du régulateur et de l'onduleur. Étapes du dimensionnement. Estimation des besoins en énergie de l'utilisateur, évaluation du gisement solaire d'un site. Équations de dimensionnement. Critères de choix du système photovoltaïque. Dimensionnement de systèmes. Installation de champs photovoltaïques. Estimation des coûts d'investissements, d'exploitation et d'entretien. Évaluation de l'impact environnemental. Maintenance, recyclage des composants.

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Processus et cadres d'évaluation et d'examen des impacts des projets, des plans et des programmes. Examen des diverses réglementations, québécoise et canadienne. Participation et audiences publiques (BAPE). Analyse des impacts et méthodologies. Préparation et rédaction d'une étude d'impact. Examens de qualité. Aspects biophysiques, humains et socio-économiques. Audits et systèmes de management environnementaux (SME). Évaluations environnementales stratégiques. Études de cas.

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Définition des risques naturels. Définition des concepts de crise et de catastrophe. Processus législatif en vigueur au Québec et les quatre dimensions de la sécurité civile : prévention, préparation, intervention, rétablissement. Schémas de sécurité civile face à des risques naturels. Communication des risques et rôle des médias. Coordination aux sites de sinistres. Planification des mesures d'urgence avec une approche par conséquences. Applications pratiques à des risques naturels présents au Québec.

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Effets de l'électricité sur le corps humain: chocs électriques, électrocution et premiers soins. Effets des champs électromagnétiques. Sources d'énergie et dangers qu'elles présentent. Installations électriques sécuritaires: réseaux haute, moyenne et basse tension. Conséquences des pannes d'électricité. Régimes du neutre et protections. Organismes de normalisation. Aspects environnementaux: impacts des projets sur l'environnement et développement durable. Calcul des émissions de gaz à effet de serre. L'énergie dans le monde, au Canada et au Québec.

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Modélisation des impacts reliés à l'émission de substances toxiques dans l'environnement. Évaluation des impacts du cycle de vie. Relation avec l'analyse des risques écotoxicologiques et à la santé humaine. Cadre méthodologique de la modélisation environnementale multi-compartiments. Bilans de masse, coefficients de disparition et de transfert de premier (pseudo-premier) ordre, calcul matriciel. Modèles à l'équilibre, à l'état stationnaire et modélisation dynamique. Modélisation de l'exposition à l'homme, introduction au concept de fraction ingérée de substances toxiques par une population, exposition directe vs indirecte via la chaîne alimentaire, bioconcentration. Exposition à l'écosystème via la chaîne trophique. Notions d'effets cancérigènes et non cancérigènes, effets sur les écosystèmes. Bases de données physico-chimiques et toxicologiques (écotoxicologiques). Indicateurs de toxicité.

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Revue du réacteur homogène tubulaire. Transport de matière et d'énergie à l'intérieur d'un catalyseur poreux et entre la phase fluide et la surface externe du catalyseur. Réacteur catalytique en lit fixe : le réacteur isotherme, le réacteur adiabatique, le réacteur non isotherme. Fluidisation : phénomènes et régimes de fluidisation. Hydrodynamique des lits fluidisés. Conversion catalytique en régime de bullage. Design des systèmes à lits fluidisés et à lits fluidisés circulants.

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Rôle des procédés pyrométallurgiques dans la société et au Québec. Opérations unitaires en pyrométallurgie: calcination, grillage, fusion/convertissage, réduction, distillation, affinage. Aspects thermochimiques: diagrammes de prédominance, diagrammes d'Ellingham, conditions d'opérations. Phases liquides: mattes, laitiers, speiss, sels fondus. Compatibilité chimique des réfractaires. Procédés d'élaboration des métaux étudiés via les principaux secteurs comme la sidérurgie: filières des hauts-fourneaux et fours électriques. Production des métaux non-ferreux tels le cuivre et le nickel. Électrolyse de l'aluminium. Production du zinc/plomb. Autres procédés selon l'actualité. Bilans de matière et d'énergie. Logiciel de simulation thermochimique.

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Principes fondamentaux de l'intégration des procédés pour une utilisation efficace de l'énergie dans l'industrie. Prétraitement et analyse multivariée de données. Échangeurs de chaleur et fluides caloporteurs. Systèmes industriels de production de vapeur, de réfrigération et de compression : principaux équipements et possibilités de récupération d'énergie. Conception optimale de réseaux d'échangeurs de chaleur par analyse de pincement. Optimisation des systèmes industriels de cogénération. Analyse critique de travaux sur l'efficacité énergétique. Utilisation de logiciels de pointe pour l'analyse énergétique des procédés industriels et leur optimisation. Études de cas pratiques tirées de diverses industries.

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Commande en cascade. Commande par anticipation. Compensation de retard. Commande par modèle interne. Commande inférentielle. Commande sélective. Commande partagée. Commande de procédés multi-entrées multi-sorties. Analyse d'interactions. Intégration design et commande. Simulations de systèmes de commande. Applications tirées de l'industrie chimique et biochimique.

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Notions d'agents toxiques et implications écologiques des pollutions dans la conception et l'opération de procédés. Sources et classification des polluants toxiques. Propriétés physico-chimiques des polluants. Devenir des polluants toxiques dans l'environnement. Mode d'exposition, récepteurs biologiques et niveaux d'effets. Relation concentration-réponse. Notions d'effets aigus/chroniques, létaux/sublétaux. Outils de mesure et d'évaluation de l'effet. Notions de danger et de risque écotoxicologique dans la protection de l'environnement et en assainissement industriel. Logiciels d'évaluation du risque écotoxicologique. Contexte règlementaire. Études de cas réels documentés. Notions de développement durable et de réingénierie des procédés.

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Notions fondamentales en économie de l'environnement et principaux enjeux traités du point de vue de l'ingénieur dans son milieu de travail : problèmes de biens publics, externalité et passager clandestin. Instruments réglementaires et économiques : normes, lois, taxes et permis. Valeur de l'environnement : valeur d'usage et de non-usage, méthodes d'évaluation contingente, méthode du prix hédonique. Innovation : politiques environnementales, hypothèse de Porter, compétition et incitatifs des firmes. Accords internationaux, commerce, hypothèse du paradis des pollueurs. Développement durable : équité intergénérationnelle, faisabilité et critère de durabilité, rapports sur le développement durable. Ressources naturelles renouvelables : modèles de pêcheries, droits de propriété, tragédie des biens communs. Ressources naturelles non renouvelables : industrie pétrolière et mines, modèles à temps discret et continu. Paradoxe vert, braconnage, conflits et coûts de transaction. Autres enjeux choisis en ingénierie tels que : énergies vertes, risque et irréversibilité.

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Les combustibles : description, classification, production et consommation. Notions de combustion, point de rosée des fumées, rendement de combustion. Équilibre chimique, température de flamme adiabatique, vitesse de réaction. Dynamique des jets, description et calcul des flammes. Description et calcul des brûleurs. Fours industriels, description et calculs. Classification et effets des polluants. Étude des processus générant les polluants. Effet de serre et changement climatique, impact des polluants atmosphériques sur la santé. Techniques de mesure et méthodes de réduction des polluants.

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Rayonnement solaire. Éléments de physique céleste. Durée d'insolation, propagation du rayonnement dans l'atmosphère, énergie reçue par une surface inclinée. Données et estimation de rayonnement solaire. Principe de transfert thermique. Types de collecteurs solaires et leur analyse thermique. Performance des collecteurs solaires. Systèmes de stockage d'énergie. Analyse économique, aspects environnementaux et sociaux. Chauffage et ventilation des bâtiments. Climatisation et réfrigération solaire. Conception et calcul des systèmes d'énergie solaire. Simulation des systèmes d'énergie solaire. Production de l'énergie mécanique, électrique et combustible solaire. Applications.

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Ressources géothermiques à haute et basse température. Température du sol, gradient géothermique, propriétés du sol. Notions d'hydrogéologie. Survol des différents systèmes à basse température : circuits ouverts et fermés; systèmes verticaux et horizontaux. Couplage aux bâtiments et aux pompes à chaleur. Transfert de chaleur dans le sol : méthodes analytiques et numériques. Test de réponse thermique. Résistance thermique des puits. Conception, dimensionnement et simulation des systèmes verticaux. Applications : chauffage et climatisation des bâtiments, pieux énergétiques, gel du sol, « geocooling », stockage saisonnier par puits géothermiques.

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Météorologie et régimes du vent. Potentiel éolien. Turbines à vent : définitions et principes de base. Éoliennes à axe horizontal. Éoliennes à axe vertical. Forces et moments aérodynamiques. Performances. Expériences dans les tunnels à vent, essais hydrodynamiques et sur site. Éoliennes pour le pompage de l'eau. Éoliennes pour la production d'énergie électrique. Éoliennes pour la ventilation des bâtiments. Givrage des éoliennes. Énergie éolienne : aspects économiques, sociaux et environnementaux. Systèmes de stockage d'énergie. Composantes d'un système éolien et matériaux pour la technologie éolienne.

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Classification des techniques de conversion d'énergie. Limites dans la conversion de l'énergie. Limites de la planète, étude de sensibilité. Limites thermodynamiques. Électromagnétisme appliqué à la conversion de l'énergie. Rendement énergétique des convertisseurs magnétohydrodynamique, des générateurs de types Faraday et Hall, des convertisseurs thermoélectriques, des piles photovoltaïques et des piles à combustible. Étude comparative des différentes techniques de conversion. Analyse de cycles avancés.

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Conversion de l'énergie. Pollution de l'espace, de l'air, de l'eau, du sol et pollution souterraine due à la production et à la conversion de l'énergie. Détection et propagation de la pollution. Étude des impacts sur l'environnement et sur la santé pour les filières du charbon, du pétrole, de l'hydro-électrique et du nucléaire. Pollution et risques associés aux modes de production d'électricité géothermique, éolienne, solaire, par fusion et par biomasse.

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Projet d'études supérieures accompli sous la direction d'un professeur du département et comprenant une étude d'application de haut niveau ainsi que la rédaction d'un rapport de projet. Le travail comprend au moins 9 heures par semaine consacrées au projet pendant 15 semaines pour un total de 135 heures.