d’entrée était faible.
Nous avons alors proposé une stratégie innovante basée sur la régulation du CO2 dissous au moyen d’un ajout de soude dans la boucle de recirculation. Une étude en simulations à l’aide du modèle ADM1 a permis de montrer qu’un contrôleur PI était capable de réguler le %CO2. Une série d’expériences a alors été mise en place sur le lit pilote du LBE pour valider la loi de commande PI. Le contrôleur testé se montre performant aussi bien en suivi de consignes, que pour rejeter des perturbations extérieures, mais la variabilité du biogaz autour de la consigne reste élevée.
Compte tenu du lien observé lors de nos expériences entre l’alcalinité et la pression partielle en CO2, nous avons cherché, dans un deuxième temps, à piloter directement l’alcalinité du digesteur. Un régula- teur mixte, combinant un contrôleur PI à une loi de commande linéarisante basée sur la dynamique du procédé, a été proposée pour contrôler directement l’alcalinité du digesteur et limiter les oscillations pré- cédément observées. La prise en compte de la dynamique de l’alcalinité permet d’actualiser la consigne à l’état réel du procédé ce qui assure une meilleure régulation. Les expériences de validation mettent en avant les performances supérieures du régulateur mixte par rapport au PI seul. L’erreur moyenne de régulation est divisée par cinq et l’écart-type par quatre.
En comparaison des technologies usuelles pour augmenter la teneur du biogaz en méthane qui né- cessitent des investissements supplémentaires (colonne d’adsorption, solvant, tamis moléculaires,...), ou qui utilisent le taux de dilution comme commande, notre stratégie présentent l’avantage de tirer profit de l’instrumentation déjà en place sur le procédé et de n’utiliser que des réactifs habituels ; pour le traite- ment d’effluents acides, comme c’est le cas avec les vinasses que nous avons utilisées, l’alimentation est tamponnée par ajout de soude. Les méthodes ex-situ ne permettent par ailleurs pas de fixer une consigne pour la qualité ; les proportions de méthane dans le biogaz sont généralement très élevées, ce qui pour
certains modes de valorisation, comme la cogénération, peut ne pas être indispensable, compte tenu des faibles pertes de performances observées en substituant un biogaz à 70-80% de méthane au gaz naturel (Huang et Crookes, 1998).
La stratégie proposée permet de réguler in-situ la qualité du biogaz produit. Atteindre des qualités élevées requiert un ajout de soude supplémentaire par rapport à ce que "consommerait" le procédé sans contrôle de la qualité. Dans l’hypothèse où l’opérateur ne souhaiterait pas utiliser plus de réactifs, notre régulateur garantit toutefois une utilisation plus rationnelle de la soude pour stabiliser la qualité du biogaz produit, facilitant ainsi sa valorisation.
Par ailleurs en ne modifiant pas le taux de dilution, la stratégie proposée permet de conserver un rendement épuratoire élevé. Elle peut ainsi être combinée avec des stratégies d’optimisation des perfor- mances qui modifient le taux de dilution, par exemple pour traiter une charge maximale (Steyer et al., 1999), ou pour maximiser la production de méthane (Liu et al., 2006).
Néanmoins l’ajout de soude dans la boucle de recirculation ne permet pas d’atteindre n’importe quelle consigne de qualité de biogaz ; lorsque la pression partielle en CO2 souhaitée correspond à une consigne en alcalinité inférieure à l’alcalinité d’entrée, l’ajout de soude ne peut bien évidemment pas permettre d’atteindre la valeur visée, puisqu’il est impossible d’abaisser l’alcalinité du milieu avec de la soude. L’utilisation d’acide en complément de la soude permettrait de diminuer, lorsque c’est nécessaire, l’alcalinité pour obtenir la qualité de biogaz voulue. Signalons toutefois que les situations où l’alcalinité est basse correspondent à une forte teneur du biogaz en CO2 ce qui ne présente pas d’intérêt dans une optique de valorisation énergétique des effluents.
Conclusions & Perspectives
Conclusions
L’épuisement annoncé des ressources énergétiques fossiles, allié au problème environnemental du ré- chauffement climatique ont renforcé l’intérêt pour les énergies renouvelables et les alternatives qu’elles peuvent offrir. Les politiques mises en place abondent dans ce sens, en fixant des objectifs et des échéances pour les remplir (Livre Blanc, Directives Electricité Renouvelable et Biocarburant,...).
Les enjeux des énergies renouvelables sont vastes ; elles permettent d’une part de limiter l’augmenta- tion des émissions de gaz à effet de serre en se substituant aux énergies fossiles. D’autre part elles offrent des moyens de production d’énergies à une échelle locale, réduisant de fait la dépendance aux pays exportateurs de combustibles fossiles. Parmi les multiples sources d’énergies renouvelables (solaire, éo- lien, thermique,...) le biogaz produit par digestion anaérobie, occupe une place particulière ; l’utilisation contrôlée de ce phénomène naturel permet de valoriser les déchets organiques en produisant du biogaz qui pourra se substituer au gaz naturel pour de nombreuses applications (cogénération, chauffage, mo- teur à gaz, carburant automobile). Une utilisation croissante de la digestion anaérobie s’inscrit ainsi dans une politique de développement durable. Les gisements de matière organique pouvant servir à produire du biogaz sont nombreux (effluenits industriels et agricoles, déjections animales, déchets ménagers,...), mais ils restent néanmoins sous-exploités.
Le déploiement à grande échelle de la digestion anaérobie est freiné par un certain nombre de bar- rières, économiques, politiques mais également techniques. L’investissement initial est élevé, et les gains financiers liés à la revente potentielle d’électricité, dépendent du prix de rachat fixé par les décision- naires. Par ailleurs, la faible vitesse de croissance des bactéries impliquées, ainsi que leur sensibilité à une surcharge organique ou en composés toxiques, ont valu une mauvaise réputation aux procédés de méthanisation, ce qui peut expliquer les réticences des agriculteurs et de certains industriels qui, faute d’expertise suffisante, craignent un dysfonctionnement des fermenteurs.
Les défis à relever pour populariser les procédés de digestion anaérobie sont de garantir la pérennité des installations en dépit de variations des effluents à traiter, et de permettre l’amélioration du procédé pour optimiser sa rentabilité.
Tout au long de ce manuscrit nous nous sommes attachés à développer des solutions aux problèmes
relatifs à la valorisation des déchets organiques. Nous nous étions fixés comme objectifs d’une part d’étudier les liens complexes entre l’alimentation, la dynamique bactérienne et la production de biogaz.
Les conclusions de cette étape devaient permettre d’identifier des voies possibles pour l’amélioration des procédés existants. Un autre objectif consistait à proposer un modèle représentant de manière plus précise les échanges entre les phases liquide/gaz, afin de mieux prédire la production de biométhane. Ce modèle devait par la suite servir de base pour le développement de stratégies de surveillance et de régulation, pour garantir la stabilité du procédé et réguler la qualité du biogaz produit en vue de sa valorisation.
Le premier chapitre de ce manuscrit a introduit les concepts généraux de la digestion anaérobie.
Cette succession de réactions, dans laquelle un substrat organique est transformé essentiellement en CO2 et CH4, implique un écosystème particulièrement complexe, dont le fonctionnement n’est pas encore entièrement connu. Divers paramètres environnementaux (température, pH, alcalinité,...) revêtent une importance capitale pour garantir le bon déroulement de ce procédé ; la sensibilité de certains groupes de microorganismes à certains composés intermédiaires, ainsi qu’aux paramètres environnementaux, rend le procédé potentiellement instable. Les conséquences d’une mauvaise conduite d’un fermenteur métha- nogène constitue en cela un vrai risque. Un manque d’expertise dans la gestion de ces procédés peut conduire à l’acidification du milieu ce qui, dans les cas extrêmes, nécessite l’arrêt et le redémarrage de l’unité de traitement. De nombreuses solutions technologiques ont donc été proposées pour améliorer le procédé et le rendre plus fiable.
Lorsque les stratégies de surveillance et de contrôle des digesteurs reposent sur des modèles mathé- matiques, ces derniers doivent représenter le plus fidèlement possible les systèmes étudiés. Deux modèles généraux (AM2 et ADM1), offrant des niveaux de description plus ou moins détaillés du procédé, ont été présentés ici. La très grande différence de complexité entre ces deux modèles s’explique par les objectifs différents pour lesquels ils ont été développés. Le modèle ADM1 se positionne comme une plate-forme commune de travail pour tous les acteurs de la digestion anaérobie. La vision détaillée qu’il propose per- met de l’utiliser comme base pour un procédé virtuel, et de nombreuses extensions sont venues compléter ce modèle. Son utilisation a montré la nécessité de caractériser précisément les entrées du modèle, faute de quoi ses performances seront dégradées. A l’opposé le modèle AM2 propose une vision synthétique de la digestion anaérobie, qui limite son utilisation à la modélisation du traitement d’effluents simples.
En revanche sa formulation en autorise une analyse mathématique poussée, et sa structure simple est bien adaptée au développement de stratégies de contrôle ou de procédures de surveillance.
Une limite commune de ces deux modèles est leur description sommaire des échanges gazeux entre les phases liquide-solide et gazeuse qui s’opèrent au sein d’un fermenteur ; le coefficient de transfert liquide/gazkLaest considéré constant, ce qui peut fausser la prédiction des caractéristiques du biogaz (débit et composition). Pour pallier ce défaut nous avons développé un modèle mécaniste de création et d’évolution des bulles de gaz dans un fermenteur anaérobie. Grâce à ce modèle le coefficient de transfert kLaa pu être calculé, et la tendance linéaire entre ce paramètre et le débit de gaz confirmée. Un modèle réduit a ensuite été proposé pour pouvoir inclure le calcul dukLadans un modèle général de digestion anaérobie, et une version simplifiée du modèle AM2 a alors été construite. Le nouveau modèle, baptisé
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