P5 Commande d’une centrale de production de biogaz

Tuteurs : Midzodzi PEKPE

Présentation du Projet

Contexte

De nos jours, la gestion des déchets constitue un immense défi pour beaucoup de villes dans le monde. L’utilisation de ces déchets afin de produire de la biomasse est une solution plus qu'intéressante. Cette énergie intéresse les pays riches confrontés au changement climatique et à la perspective d'une crise des ressources en hydrocarbures, fossiles ou uranium. Mais aussi les pays pauvres, qui trouvent en elle, une source d'énergie intarissable. Elle répond, en effet, à des enjeux et objectifs de développement durable et potentiellement d'économie circulaire. Substituer la biomasse aux énergies fossiles contribue à réduire l'émission de gaz à effet de serre.

Objectif

Modéliser et commander la production de méthane dans une centrale de production de biogaz

Description

Le travail commencera par la modélisation du système sous Matlab Simulink, puis la détermination des méthodes de commande appropriées pour le pilotage du système. La mise en œuvre de la commande sélectionnée sera la dernière étape de ce projet. Ce projet se fera en partenariat avec le centre de production de biogaz de Safi Sana.

Références bibliographique

Modélisation de la qualité du biogaz produit par un fermenteur méthanogène et stratégie de régulation en vue de sa valorisation de Jonathan Hess.

Modélisation des processus biochimiques de la méthanisation [ http://hmf.enseeiht.fr/travaux/bei/beiere/book/export/html/2247]

Dynamical model development and parameter identification for an anaerobic wastewater treatment process

Biogas Production Modelling: A Control System Engineering Approach

Dynamical Model Development and Parameter Identification for an Anaerobic Wastewater Treatment Process (Bernard et al. 2001)

Travail réalisé

Préliminaire

Une centrale de biogaz est composée de plusieurs cuves étanches, appelées digesteur, dans lesquelles se produit le processus de fermentation. En absence d'oxygène, des bactéries dégradent la matière organique en biogaz. Les principaux produits de cette décomposition anaérobie sont le méthane, gaz de la famille des alcanes riche en energies, et le dioxyde de carbone. Ces produits forment ainsi le biogaz qui peut être par la suite utilisé dans la production d'électricité ou du chauffage.La MEL a quant à elle mis en place un centre de valorisation organique (CVO) à Sequedin.

J'ai dû alors effectué un important travail de recherche afin de comprendre les phénomènes biochimiques qui se produisent à l'intérieur de ces digesteurs. La modélisation de ces processus biochimiques est un exercice assez délicat. En effet, il n'existe pas de lois ou de modèles universels à contrario de la Physique où des modèles connus et validés peuvent servir de base à la construction des modèles.

La Méthanisation

La méthanisation est un processus biologique présent naturellement dans les écosystèmes. Il s'agit d'une dégradation anaérobie de la matière organique produisant principalement du méthane et du dioxyde de carbone. La matière organique complexe est, dans un premier temps, dégradée en molécules simples qui sont ensuite minéralisées en méthane et en dioxyde de carbone. Ce processus se déroule en quatre étapes : hydrolyse, acidogénèse, acétogénèse et méthanogénèse.

Hydrolyse

Au cours de cette réaction, la matière organique complexe est désintégrée en polysaccharides, protéines, lipides et acides nucléiques. Ces molécules sont à leur tour hydrolysées en molécules plus petites, produisant ainsi des monosaccharides, des acides aminés, des acides gras et des bases azotées.

Acidogénèse

Les monomères sont oxydés en acides organiques, en alcool ou en acides gras volatiles. Du dioxyde de carbone et du dihydrogène sont produits en petites quantités au cours de certaines de ces réactions.

Acétogénèse

Les molécules produites lors de la réaction d'acidogénèse sont alors oxydées en acide acétique. Il existe deux types de bactéries réalisant cette étape : les bactéries acétogènes syntrophes, produisant du dihydrogène lors de la réaction de formation de l'acétate, et les bactéries homoacétogènes, produisant uniquement de l'acétate à partir des acides organiques ou du dioxyde de carbone et du dihydrogène. L'acidogénèse et l'acétogénèse présentent un optimum de vitesse de réaction pour des valeur de pH allant de 5,2 à 6,2.

Méthanogénèse

Lors de cette dernière réaction, le méthane est produit par des archées méthanogènes. Il existe deux voies de production du méthane : la minéralisation de l'acétate en méthane et dioxyde de carbone, et la transformation du dioxyde de carbone et du dihydrogène en méthane et en eau. La méthanogénèse présente un optimum de vitesse de réaction pour des valeur de pH allant de 6,5 à 7,6.

Des chercheurs ont pu établir des modèles permettant de décrire le processus de méthanisation.

Le Modèle ADM1

Ce modèle repose sur un bilan entrée/sortie de demande chimique en oxygène (DCO). Il considère 5 étapes pour la digestion anaérobie impliquant 7 espèces bactériennes. En effet, les 4 étapes présentées plus haut, à savoir l’hydrolyse, l’acidogénèse, l’acétogénèse et la méthanogénèse, sont précédées de la solubilisation de la matière particulaire. On ajoute aussi à ces processus biochimiques ( les équilibres acide/base et les transferts entre les phases liquide et gazeuse). Néanmoins bien que ce modèle soit séduisant de par l’exhaustivité des phénomènes qu’il permet de décrire, sa complexité (26 équations et plus de 80 paramètres) en font un système fortement non-linéaire.Un autre modèle, dénommé AM2, synthétise les principaux flux de masse en ne considérant que deux population bactériennes : les acidogènes et les méthanogènes. C’est ce modèle que je vais utiliser car sa structure simple permet le développement d’observateur et de commande, la base de mon projet.

Le Modèle ADM2

L’objectif de mon projet est d’utiliser un modèle pouvant être analysé mathématiquement pour déduire des lois de commande.Le modèle AM2 fut développé dans le cadre d'un projet européen sur la modélisation et le contrôle de procédés de digestion anaérobie. Les étapes de la digestion anaérobie sont réduites à 2, à savoir l'acidogénèse et la méthanogénèse. Et seuls deux substrats et deux groupes bactériens sont considérés. Ce procédé est représenté de façon macroscopique par le schéma réactionnel suivant:

les quantités µ(S)X représentent les vitesses de réaction.

Lors de l'acidogénèse, La biomasse acidogène (X1) transforme le substrat organique S1 en dioxyde de carbone et en acide gras volatils(AGV) (S2). Et durant la méthanogénèse, Les bactéries méthanogènes (X2) présentes dans le digesteur consomment les AGV (S2) et les transforment en méthane et en dioxyde de carbone.

Ce modèle définit un vecteur d’état ζ=(X1, X2, Z, S1, S2, C) avec

X1: Concentration de la population acidogène

X2: Concentration de la population méthanogène

Z: Alcalinité total du réacteur (Permet de réguler le pourcentage de CO2)

S1: Concentration en substrat dans le réacteur

S2: Concentration en AGV dans le réacteur

C: Concentration totale en carbone inorganique

L’évolution des variables de ce vecteur pour un réacteur à lit fixe est la suivante:

μ1(S1): Taux de croissance de la population acidogène selon la formule de Monod

μ2(S2): Taux de croissance de la population méthanogène selon la formule de Haldane

qC : Débit volumique de CO2

qM: Débit volumique de méthane

PC: Pression partielle de CO2

D: Taux de dilution

α: Pourcentage de biomasse

k1:Rendement de la dégradation du substrat

k3:Rendement de la dégradation des AGV

et k2, k4, k5, k6 respectivement le rendement de production des AGV, CO2, CO2 et CH4