UNIVERSITE D’ABOMEY-CALAVI (UAC) ¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤
ECOLE POLYTECHNIQUE D’ABOMEY-CALAVI (EPAC) ¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤
DEPARTEMENT DE GENIE ELECTRIQUE (GE) Option : Contrôle de Processus Industriel (CPI)
MEMOIRE DE FIN DE FORMATION
POUR L’OBTENTION DU
DIPLOME D’INGENIEUR DE CONCEPTION
THEME :
Réalisé par:
Manhougbé Probus Aymard Farel KIKI
Soutenu publiquement le mercredi 03 décembre 2014 devant le jury composé de :
Président : Dr Ramanou BADAROU, Enseignant à l’EPAC Membres : Dr François-Xavier FIFATIN, Enseignant à l’EPAC
Dr Mèdésu SOGBOHOSSOU, Enseignant à l’EPAC Cessac F. HOUNGUE, Doctorant au LETIA (Maître)
Année Académique : 2013-2014
7ème Promotion
Etude par simulation Hardware In the Loop d’un digesteur anaérobie
contrôlé en température
Nous dédions ce document à nos parents qui n’ont ménagé aucun effort pour la réussite de nos études.
La rigueur scientifique et les exigences d’un travail de recherche sont souvent au-delà des seules capacités de l’étudiant. C’est pourquoi, il serait audacieux pour nous d’entrer dans le vif du sujet sans rendre grâce à notre Seigneur Jésus-Christ pour nous avoir donné la force et le courage d’arriver au bout de nos efforts et remercier ceux qui, de près ou de loin, ont contribué à la réalisation de ce modeste travail. Nous tenons ainsi à témoigner notre gratitude à :
– notre famille qui ne cesse de nous soutenir dans toutes nos entreprises.
Que Dieu veille sur elle.
– Professeur Félicien AVLESSI, Directeur de l’Ecole polytechnique d’Abomey Calavi (EPAC) pour nous avoir permis de suivre cette formation de qualité ;
– Professeur Clément BONOU, le Directeur Adjoint de l’EPAC pour tous les sacrifices qu’il a consentis pour notre formation ;
– Dr François-Xavier FIFATIN, le chef de département Génie électrique pour ses conseils et son soutien inconditionnel ;
– M. Cessac F. HOUNGUE, Doctorant au Laboratoire d’Electrotechnique, de Télécommunication et d’Informatique Appliquée (LETIA), notre Maître de mémoire et Mr Théophile K.
HOUNGAN, Docteur en Génie Electrique à l’EPAC pour avoir bien voulu superviser ce modeste travail et donner de leur temps et de leur intelligence à la réussite de ce projet. Ils représentent pour nous,
des modèles de réussite et une source de motivation permanente, pour leur disponibilité et leur sens aigu d’humanisme ;
– tout le corps enseignant de l’EPAC, pour avoir donné le meilleur de lui-même en vue de faire de nous des ingénieurs accomplis ;
– à tout le personnel de notre structure d’acceuil HOMINTEC en particulier le Directeur Général Francis COSSI et le Directeur Technique Emmanuel DJONDO ;
– tous les camarades ainsi que tous ceux que nous avons omis de citer, que chacun se retrouvent ses remerciements.
Liste des figures . . . viii
Liste des tableaux . . . x
Liste des symboles et abréviations . . . xi
Résumé . . . xiv
Introduction générale . . . 1
1 Fonctionnement du digesteur . . . 3
Introduction . . . 3
1.1 Principe de fonctionnement des digesteurs . . . 3
1.1.1 La biologie de la méthanisation . . . 3
1.1.1.1 Hydrolyse . . . 4
1.1.1.2 Acidogénèse . . . 4
1.1.1.3 Acétogénèse . . . 5
1.1.1.4 Méthanogénèse . . . 5
1.1.2 Physico-chimie de la digestion anaérobie . . . 5
1.1.2.1 Influence de la température . . . 6
1.1.2.2 Influence du pH . . . 7
1.1.2.3 Influence des nutriments . . . 7
1.1.3 La mise en œuvre de la méthanisation en digesteur . 7
1.1.3.1 Mode d’alimentation . . . 8
1.1.3.2 Type de substrats . . . 9
1.1.3.3 Classification suivant l’étapes . . . 10
1.2 Panorama des principaux usages actuels du biogaz . . . 11
1.3 Avantages et inconvénients de la digestion anaérobie . . . 12
1.3.1 Avantages . . . 12
1.3.2 Inconvénients . . . 12
1.4 Les différents modèles de la digestion anaérobie . . . 13
1.4.1 Le modèle ADM1 . . . 13
1.4.2 Le modèle AM2 . . . 13
1.4.2.1 Présentation du modèle . . . 13
1.4.2.2 Equations du modèle dynamique . . . 15
1.4.3 Autres modèles . . . 16
Conclusion . . . 16
2 Identification du dispositif de chauffage . . . 17
Introduction . . . 17
2.1 Système de chauffage du digesteur . . . 17
2.1.1 Autoconsommation . . . 17
2.1.2 Circuit externe de recirculation . . . 18
2.1.3 La cogénération . . . 18
2.1.4 Le chauffage solaire . . . 19
2.2 Les systèmes de chauffage à concentration solaire . . . 20
2.2.1 Miroirs cylindro-paraboliques . . . 21
2.2.2 Tour solaire (ou centrale à tour, ou collecteur central) 22 2.2.3 Réflecteur linéaire de Fresnel . . . 24
2.2.4 Capteur parabolique . . . 25
2.2.5 Résumé des technologies . . . 27
2.3 Travail à faire . . . 29
Conclusion . . . 30
3 Modélisation du système et présentation du concept de la
simulation HIL . . . 31
Introduction . . . 31
3.1 Système étudié . . . 31
3.1.1 Le digesteur . . . 31
3.1.1.1 Présentation du digesteur . . . 31
3.1.1.2 Caractéristique du digesteur . . . 32
3.1.1.3 Modélisation de la méthanisation au sein du digesteur . . . 33
3.1.2 Le système de chauffage . . . 36
3.1.2.1 Présentation du dispositif . . . 36
3.1.2.2 Modélisation du dispositif de chauffage . . . 38
3.1.2.3 Equation de transfert thermique au sein du digesteur . . . 39
3.2 Le concept de la simulation HIL et sa mise en œuvre . . . . 43
3.2.1 Le concept du HIL . . . 43
3.2.1.1 Pourquoi utiliser la simulation Hardware In the Loop ? . . . 43
3.2.1.2 Comment fonctionne la simulation HIL ? . . 44
3.2.1.3 Eléments nécessaires pour la réalisation du HIL . . . 45
3.2.1.4 Les principales étapes de la simulation HIL 46 3.2.1.5 Application du concept HIL au cas étudié . 47 3.2.2 Présentation du Logiciel de simulation LabVIEW . . 49
3.2.2.1 Environnement de programmation LabVIEW 49 3.2.2.2 Configuration et Méthode adoptée pour la communication LabVIEW - Arduino . . . . 54
3.2.3 Présentation de la carte Arduino UNO . . . 54
3.2.3.1 L’arduino . . . 54
3.2.3.2 Caractéristique de la carte Arduino UNO . 56 3.2.3.3 Développement sur Arduino . . . 57
Conclusion . . . 58
4 Implémentation du modèle et analyses des résultats de
simulation . . . 59
Introduction . . . 59
4.1 Implémentation du modèle sous le logiciel LabVIEW . . . . 59
4.2 Interprétation des résultats obtenus . . . 62
4.2.1 Simulation du digesteur sans système de chauffage . . 62
4.2.2 Simulation conventionnelle du digesteur avec système de chauffage . . . 65
4.2.3 Simulation HIL du digesteur avec système de chauffage 68 4.3 Etude comparative des différents résultats . . . 71
4.4 Tentative d’expérimentation . . . 72
Conclusion . . . 73
Conclusion générale . . . 74
Références Bibliographiques . . . 75
A Paramètres et constantes de simulation . . . 78
B Vue du concentrateur solaire parabolique réalisé . . . 79 .
1.1 Effet de la température sur le taux de croissance des
méthanogènes . . . 6
1.2 Classification du digesteur suivant le nombre d’étape . . . . 10
1.3 Les différentes voies de valorisation du biogaz . . . 11
1.4 Schéma du processus biochimique de la digestion anaérobique à 2 phases . . . 14
2.1 Schéma de principe de la cogénération . . . 18
2.2 Schéma d’un système de chauffage à cogénération . . . 19
2.3 Schéma descriptif du digesteur solaire de type batch . . . 20
2.4 Fonctionnement d’un capteur à miroir cylindro-parabolique . 21 2.5 Fonctionnement d’une tour solaire . . . 23
2.6 Fonctionnement d’un capteur linéaire de Fresnel . . . 24
2.7 Fonctionnement d’un capteur parabolique . . . 25
3.1 Schéma du dispositif de digestion avec système de chauffage 33 3.2 Schéma synoptique de la boucle de régulation . . . 38
3.3 Différentes parties de la simulation HIL . . . 45
3.4 Synoptique du dispositif en HIL . . . 48
3.5 Exemple d’une ”Face-avant” ou interface utilisateur . . . 50
3.6 Exemple d’un ”Diagramme” d’une application . . . 51
3.7 Palette de programmation de commande dans la fenêtre
”Face-Avant” d’un VI . . . 52
3.8 Palette de programmation de fonctions et d’outils dans la fenêtre ”Diagramme” d’un VI . . . 53
3.9 L’ensemble Arduino . . . 55
3.10 Caractéristique de la carte Arduino UNO . . . 57
3.11 Ecran principal de l’arduino . . . 58
4.1 Modèle du dispositif sans aucun système de chauffage . . . . 60
4.2 Implémentation du modèle du processus de digestion . . . . 60
4.3 Bloc Réception et Transmission de données implémenté sous labview . . . 61
4.4 Schéma de régulation en HIL . . . 61
4.5 Evolution de la température du substrat sans le dispositif de chauffage . . . 62
4.6 Evolution de la méthanisation dans le digesteur sans le dispositif de chauffage . . . 63
4.7 Evolution de la quantité de méthane produite dans le digesteur sans le dispositif de chauffage . . . 64
4.8 Evolution des températures avec le dispositif de chauffage (le contrôle simulé) . . . 65
4.9 Evolution de la méthanisation dans le digesteur avec le dispositif de chauffage (le contrôle simulé) . . . 66
4.10 Evolution de la quantité de méthane produite dans le digesteur avec le dispositif de chauffage (le contrôle simulé) . 67 4.11 Evolution des températures avec le dispositif de chauffage (simulation HL) . . . 68
4.12 Evolution de la méthanisation dans le digesteur avec le dispositif de chauffage (simulation HL) . . . 69
4.13 Evolution de la quantité de méthane produite dans le digesteur avec le dispositif de chauffage (simulation HIL) . . 70
B.1 Vue du concentrateur solaire parabolique réalisé . . . 79
1.1 Produits de la dégradation du glucose. . . 5 2.1 Résumé des technologies d’énergie solaire à concentration . . 28 4.1 Tableau récapitulatif des résultats de simulation . . . 71 A.1 Paramètres et constantes de simulation . . . 78
Abréviations
ADM1 Anaerobic Digestion Model N˚1 AM2 Anaerobic Model N˚2
AGV Acides Gras Volatils
IWA International Water Association
INRIA Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique
HIL Hadware In the Loop SS Sous-systèmes à Simuler SR Sous-systèmes Réels SP Système Physique VI Virtual Instrument
Symboles
k1, k2, k3, k4, k5, k6 Coefficients Stœchiométriques
S1 Concentration du substrat de matières carbonées X1 Concentration de la population bactérienne acidogène r1, r2 Vitesses de réaction
S2 Concentration du substrat en acides gras volatils
X2 Concentration de la population bactérienne méthanogène µ1 Taux de croissance des bactéries acidogènes
µ2 Taux de croissance des bactéries méthanogènes
m1 Taux de croissance maximal des bactéries acidogènes m2 Taux de croissance maximal des bactéries méthanogènes KS1, KS2 Constantes de saturation
Ki Constante d’inhibition
Qch4 Le débit de méthane produit
hrp−v Coefficient d’échange radiatif entre la plaque et la vitre A0 Surface de la plaque du capteur
Tp Température de la plaque Tv Température de la vitre
hcp−v Coefficient d’échange convectif entre la plaque et la vitre hrv−ciel Coefficient d’échange radiatif entre la vitre et le ciel Tc Température du ciel (voûte céleste)
hcv−a Coefficient d’échange convectif entre la vitre et l’ambiance τv Coefficient de transmissivité de la vitre
αv Coefficient d’absorption de la plaque G Eclairement solaire
Tsub Température du substrat hp Coefficient de perte global e Epaisseur de la plaque
Kac Coefficient de la conductivité thermique de la plaque Kair Coefficient de la conductivité thermique de l’air Msub Masse du substrat
Cp Capacité calorifique de l’eau
hperte Coefficient de perte global du substrat
Kis Coefficient de conductivité thermique de l’isolant eis Epaisseur de l’isolant
S Surface latérale du bac en contact avec le substrat µopt Taux de croissance optimal de microorganisme γT Coefficient de croissance dû à la température γpH Coefficient de croissance dû au pH
b1, b2 coefficients de régression
Tmin température minimale au-dessous de laquelle on n’observe
T la température de croissance bactérienne Qréc Puissance au foyer du collecteur parabolique ηopt Rendement optique du concentrateur
Qréf Puissance reçue à l’ouverture du collecteur parabolique
Is Irradiation solaire incidente arrivant à la surface du réflecteur Aréf Surface du réflecteur
Ta Température ambiante
σ Constante de Stefan-Boltzmann p Emissivité de la plaque absorbante v Emissivité de la vitre
N u Nombre de Nusselt qui est déterminé par la formule suivante Re nombre de Reynolds
Vair Vitesse de l’air dans la conduite b Viscosité dynamique de l’air V vitesse de vent
hrp−sub Coefficient d’échange radiatif entre la plaque et le substrat hcp−sup Coefficient d’échange convectif entre la plaque et le substrat Ksub Coefficient de la conductivité thermique du substrat
Treg Température appliquée au digesteur par le système de chauffage
Résumé
Le présent travail traite de l’élaboration d’un dispositif de chauffage pour un digesteur anaérobie de type batch. Ce dispositif, concentrateur solaire parabolique, est muni d’un régulateur qui permet de maintenir la température du substrat dans une plage donnée. Ceci permet une plus grande production de méthane dans un délai réduit. Une simulation de type Hardware In the Loop (HIL) du système a été faite afin de valider les performances du dispositif.
Mots clés : digesteur anaérobie, digesteur batch, HIL.
Abstract
This paper discusses the development of a heater for a batch type anaerobic digester . This device, parabolic solar concentrator, is provided with a regulator that keeps the substrate temperature within a given range. This allows a most large methane production in a shorter time. A simulation Hardware In the Loop (HIL) system was conducted to validate the performance of the device.
Keywords : anaerobic digester, batch digester, HIL.
De nos jours, l’énergie électrique a pris une place prépondérante dans la société. Ainsi, l’énergie électrique est devenu une nécessité pour tous.
Cependant, l’indisponibilité de l’énergie électrique est un vrai problème d’actualité dans le monde et en Afrique particulièrement. Les zones rurales quant à elles, sont encore plus lésées et même lorsque l’énergie est disponible, elles ne peuvent pas s’en procurer. Ce grand défcit ne permet pas un développement des activités économiques et industrielles, ce qui ne permet pas une amélioration de la qualité de vie de la population. S’il en est ainsi, l’utilisation de sources de production plus accessibles se montre donc nécessaire. Les énergies renouvelables (éolienne, photovoltaïque, biomasse) se définissent donc comme une solution adaptée au problème. Mais, parmi celles proposées, bon nombre sont toujours hors de portée de la population rurale. Néanmoins, le biogaz représente une alternative prometteuse afin de subvenir au besoin en énergie électrique en Afrique et surtout dans les zones à faible concentration de population. Aussi, les procédés de production de méthane permettent le récyclage des ordures ce qui permet de régler des problèmes de santé publique.
La digestion anaérobie, l’un des procédés de production de biogaz (majoritairement du méthane), permet la transformation de matières organiques en biogaz et ceci sans émission de gaz à effet de serre.
Cette technique de production d’énergie est hautement influencée par la température de la matière digérée, souvent faible lorsque la digestion se
déroule librement. En effet, la production de biogaz se réalise sur une longue durée. Pour pallier ce problème, des dispositifs de chauffage ont été élaborés pour élever la température au sein du digesteur. Mais, ces derniers restent difficiles à mettre en œuvre. Vu cet état de choses, nous proposons dans ce travail, d’identifier un dispositif de chauffage simple pour le digesteur, puis de contrôler la température au sein de ce dernier. Pour le faire, nous avons divisé le travail en quatre (4) parties.
Dans un premier chapitre nous avons présenté le principe de la méthanisation, les différents types de digesteurs et les différents facteurs influençant le bon déroulement de la digestion anaérobie.
Ensuite, au deuxième chapitre, Nous avons choisi le système de chauffage à adopter pour le digesteur.
Dans le troisième chapitre, nous avons présenté premièrement le modèle du dispositif digesteur chauffé et deuxièmement, nous présenterons le concept de la simulation Hardware In the Loop (HIL).
Enfin, le quatrième chapitre présente l’implémentation du système et les différents résultats de simulation.
CHAPITRE 1
Fonctionnement du digesteur
Introduction
La production de méthane répond à plusieurs procédés biologiques dont la digestion anaérobie. Ce procédé présente plusieurs avantages. La maîtrise de l’évolution de la méthanisation est indispensable pour une conduite à bien de la digestion anaérobie. Dans ce chapitre, nous présentons le fonctionnement de la digestion anaérobie, les différents types de digesteurs et les différents modèles qui traduisent son fonctionnement.
1.1 Principe de fonctionnement des digesteurs
1.1.1 La biologie de la méthanisation
La digestion anaérobie (ou méthanisation) est un processus biologique de dégradation de la matière organique en un mélange gazeux appelé biogaz composé majoritairement de méthane (CH4 ) et de dioxyde de carbone (CO2 ). Le biogaz produit peut-être récupéré, stocké et valorisé pour la production de chaleur et/ou d’électricité. La méthanisation est observée dans les milieux naturels pauvres en oxygène, et il existe trois types d’écosystèmes méthanogènes naturels :
– les sédiments marins et lacustres, les milieux inondés (marais,
rizières), les boues et les digesteurs dans lesquels la matière organique est complètement dégradée ;
– les appareils digestifs animaux et humains qui dégradent partiellement la matière et conduisent à la formation de produits intermédiaires assimilés comme éléments nutritifs ;
– les eaux volcaniques, dans lesquelles la matière organique est absente et où seule la voie hydrogénophile ( transforme le gaz carbonique et l’hydrogène en méthane et en eau) permet la production du biogaz.[2]
La digestion anaérobie se déroule en quates étapes principales : l’hydrolyse, l’acidogenèse, l’acétogenèse et la méthanogénèse.
1.1.1.1 Hydrolyse
Au cours de l’étape d’hydrolyse, les macromolécules complexes sont solubilisées sous l’action d’enzymes extracellulaires excrétées par des bactéries anaérobies strictes (Clostridium pour la dégradation de cellulose et de l’amidon) ou facultatives aérotolérantes (Bacillus pour la dégradation de protéines). Les composés particulaires sont scindés en monomères (ou dimères) de taille sufisamment petite pour pouvoir être transportés au travers de la membrane cellulaire. Une fois dans la cellule des microorganismes, ces molécules simples pourront être utilisées comme source d’énergie pour le métabolisme [3].
(C6H10O5)n + nH2O Enzymes−→ nC6H10O5 + nH2O (1.1) 1.1.1.2 Acidogénèse
Dans une seconde étape, les monomères issus de l’hydrolyse, ainsi que les composés dissous, servent de substrats à des microorganismes fermentaires qui les dégradent principalement en acides de faibles poids moléculaires comme les acides gras volatils (AGV) tels que propionate, butyrate, valérate, mais également en pyruvate, lactate, ou en alcools tels que le méthanol, l’éthanol,...[4]. L’éthanol et le lactate qui sont produits par des voies métaboliques moins intéressantes énergétiquement
ne sont généralement pas synthétisés à l’équilibre. Du gaz carbonique et du dihydrogène sont également produits au cours de ces réactions.
En considérant le glucose comme substrat de référence, on représente l’acidogénèse par les équations de la Table 1.1 [5].
Table 1.1 – Produits de la dégradation du glucose.
Produits Réaction
Propinoate C6H12O6 + 2H2 −→ CH3CH2COOH + 2H2O Butyrate C6H12O6 −→ CH3CH2CH2COOH + 2H2 + 2CO2
Ethanol C6H12O6 −→ 2CH3CH2COOH + 2CO2 Lactate C6H12O6 −→ 2CH3CHOHCOOH
1.1.1.3 Acétogénèse
Les produits de l’hydrolyse et de l’acidogénèse (acides, sucres, alcools,...) sont réduits en acétate, hydrogène et dioxyde de carbone par un groupe hétérogène de deux populations bactériennes.
1.1.1.4 Méthanogénèse
La méthanogénèse constitue l’étape de réduction finale du processus de méthanisation. Elle est considérée comme l’étape limitante dans le processus de dégradation des composés dissous. La méthanogénèse est réalisée par une classe spécifique de bactéries anaérobies strictes, les archae, qui peuvent utiliser divers substrats comme l’acétate, le dioxyde de carbone et l’hydrogène, ou encore, pour certaines espèces, le méthanol, les méthylamines ou le formate pour avoir du méthane. [6].
1.1.2 Physico-chimie de la digestion anaérobie
La méthanogénèse est influencée par de nombreux facteurs environnementaux comme le pH, la température, les nutriments, les composés toxiques ou inhibiteurs.
1.1.2.1 Influence de la température
On répartit les organismes en trois catégories, selon la plage de températures à laquelle leur croissance est optimale :
– les psychrophiles dominent entre 5 − 20oC, avec un optimum de croissance vers 15oC;
– les sub-mésophiles et les mésophiles dominent entre 25−45oC, avec un optimum vers 37oC;
– les thermophiles dominent entre 50 − 70oC, avec un optimum vers 60oC.
La Figure 1.1 montre les plages de températures où la croissance de ces trois populations est possible.
Figure 1.1 – Effet de la température sur le taux de croissance des méthanogènes [7]
La dépendance des taux de croissance à la température obéit à la loi d’Arrhénius, jusqu’à la température optimale, puis chute brutalement.
La température peut affecter les réactions biochimiques au travers des cinétiques bactériennes. Plus spécifiquement, l’activité enzymatique
température jusqu’à la température optimale. Aux températures extrêmes, les enzymes sont dénaturées et le taux de croissance des bactéries décroît.
Les études de Cordóba [8] ont ainsi montré que la température améliorait les rendements épuratoires et la production de méthane. En plus, en s’intéressant plus particulièrement à l’acidogénèse, ils ont constaté que le rendement d’acidification était croissant avec la température.
1.1.2.2 Influence du pH
Les organismes peuvent être séparés en fonction de leur pH optimal de croissance :
– les acidophiles : 1 < pH < 5,5 ; – les neutrophiles : 5,5< pH < 8 ; – les alcalophiles : 8,5 < pH < 11,5.
On considère habituellement que la gamme optimale de pH pour la digestion anaérobie se situe entre 6,7 et 7,3 [6]. Un écart du pH de cette gamme est, en général, le signe d’un mauvais fonctionnement du digesteur et d’une accumulation d’acides ou de composés alcalins.
1.1.2.3 Influence des nutriments
La matière vivante est majoritairement composée d’atomes de carbone, d’hydrogène, d’oxygène, d’azote, de phosphore et de souffre. Ces constituants élémentaires doivent être présents dans le substrat selon les proportions de la formule empirique de la biomasse C2H7O2N P0.06S0.1. Un déséquilibre de ces proportions dans le milieu risque de retarder la croissance bactérienne et donc de ralentir le processus global [2].
1.1.3 La mise en œuvre de la méthanisation en digesteur
Le digesteur, encore appelé fermenteur ou bioréacteur-anaérobie est généralement constitué d’une cuve fermée, étanche à l’air et de préférence isolée thermiquement de l’extérieur dans laquelle différents microorganismes se cotoyent pour dégrader chimiquement et biologiquement les déchets, effluents organiques pour produire du biogaz.
Le choix du digesteur varie en fonction du type de déchets à traiter et de l’application visée. On peut classer les digesteurs selon :
– le mode d’alimentation : batch, continu ou semi-continu ; – le type de substrats : solide, semi-solide ou liquide ;
– le nombre d’étapes : mono-étape ou bi-étape selon que la méthanogénèse et l’acidogénèse se déroulent dans le même réacteur ou dans deux cuves séparées.
1.1.3.1 Mode d’alimentation
Le digesteur batch ou discontinu : Il a l’avantage d’être d’une construction simple. Le mode opératoire consiste à remplir le digesteur avec les substances organiques et laisser digérer, le temps de rétention étant fonction de la température et d’autres facteurs. A la fin de la digestion, le digestat est évacué et le processus peut recommencer. Ces systèmes, rustiques et d’une grande simplicité technique, sont avantageux pour traiter les déchets solides comme les fumiers, les résidus agricoles ou les ordures ménagères. La production de biogaz n’est pas régulière. Au début du cycle, la fermentation du substrat ne venant que de commencer, la production de biogaz est lente. Elle s’accélère, et atteint un taux maximal au milieu du processus de dégradation et chute en fin de cycle lorsque seuls les éléments difficilement digestibles restent dans le digesteur.
Dans un digesteur continu, le substrat introduit de manière continu est digéré et déplacé soit mécaniquement, soit sous la pression des nouveaux intrants vers la sortie sous forme de digestat. Le fonctionnement en continu est bien adapté aux installations de grande taille. Il existe trois principaux types de digesteurs continus : digesteur à cuve verticale, digesteur à cuve horizontale et digesteur à «cuves multiples».
Le digesteur semi-continu fonctionne avec une combinaison des propriétés des deux précédents afin de tirer profit des avantages des deux extrêmes.
1.1.3.2 Type de substrats
Cette classification des digesteurs est fonction de la teneur en matière sèche des matières organiques. On a donc :
– les substrats solides : teneur en matière sèche > 15% ;
– les substrats semi-solides ou pâteux : teneur en matière sèche comprise entre 5 et 15% ;
– les substrats liquides : teneur en matière sèche inférieure à 5%.
Les substrats liquides et pâteux sont dits pompables. Pour traiter les effluents liquides plus ou moins riches en suspension, on préfèrera des procédés continus ou semi-continus, le contenu du digesteur étant maintenu homogène par brassage mécanique régulier du liquide. Le type de substrats détermine le type de digesteurs. Ainsi on peut citer des types de digesteur tels que :
• le digesteur infiniment mélangé et piston : le réacteur infiniment mélangé est l’une des premières technologies utilisées pour les boues de station d’épuration d’eaux usées. L’unité comprend un digesteur mélangé par un moyen mécanique ou par recirculation de biogaz sous pression («gas lift »). Dans certains cas un décanteur placé en aval du digesteur permet de récupérer des boues qui sont réintroduites dans le réacteur permettant ainsi de recycler une partir des microorganismes.
Dans un digesteur piston, l’effluent est introduit à une extrémité du réacteur et est soutiré par l’extrémité opposée. Le temps de séjour hydraulique peut ainsi être correctement contrôlé. [9] ;
• le digesteur à lit de boue ou à lit fixé : la stratégie employée dans un réacteur anaérobie est principalement axée sur le maintien de la biomasse dans le digesteur. On «joue» sur la capacité des micro-organismes à se regrouper entre eux pour former des «flocs» ou des «granules» ou bien à se fixer sur un support pour constituer des
«biofilms». Le digesteur à lit de boues consiste à faire passer l’effluent à traiter au travers d’un lit de boues. La vitesse ascensionnelle de l’effluent est relativement faible, les microorganismes se forment en flocs et la décantation se réalise dans le réacteur. La maîtrise de
l’hydraulique est importante et il est à noter que ce type de réacteur à un «caractère» fortement piston. Le lit fixé, appelé également
«filtre anaérobie» est réalisé avec un support solide réparti dans le réacteur. Le support va être colonisé par des biofilms anaérobies.
L’effluent traverse le support (ascendant ou descendant) ; plus la surface d’échange biofilm/effluent est importante plus le rendement de biodégradation est grand.
1.1.3.3 Classification suivant l’étapes
Cette classification met en évidence le fait que l’hydrolyse et l’acidogénèse sont séparés ou pas de la phase suivante de méthanogénèse.
La Figure 1.2 illustre cette classification.
Figure 1.2 – Classification du digesteur suivant le nombre d’étape Dans les procédés monoétape, toutes les étapes de la digestion ont lieu dans la même enceinte. Ils sont exploitables en continu ou en batch.
Les procédés biétapes sont caractérisés par le fait que l’hydrolyse et l’acidification sont nettement séparées de la phase suivante de méthanisation. La recirculation de la phase liquide présente l’avantage de ne pas nécessiter constamment l’ajout d’eau réchauffée. L’avantage des procédés biétapes réside dans les courts temps de décomposition de la matière solide, de l’ordre de quelques jours.
Certains digesteurs sont dits mixtes ou intégrés. Plus exactement, c’est l’installation et non le digesteur qui est mixte. Le principe consiste à faire subir au substrat organique une digestion anaérobie et récupérer le sous-produit qui est ensuite stabilisé par l’étape de compostage.
1.2 Panorama des principaux usages actuels du biogaz
Le biogaz est pratiquement convertible en toutes les formes utiles d’énergie. Certaines applications sont largement développées et l’offre industrielle et commerciale est solidement établie pour : l’utilisation directe en chaudière (la production de chaleur, eau chaude ou de vapeur), la production d’électricité, la production combinée d’électricité et de chaleur par cogénération ; l’utilisation du biogaz comme gaz naturel après épuration (voire aussi la directive européenne sur le gaz naturel) ou carburant automobile après épuration et compression.
D’autres voies sont au stade de la recherche et du développement : production d’hydrogène, pile à combustible, production de froid par absorption. Ces différentes utilisations sont représenntés sur la Figure 1.3.
Figure 1.3 – Les différentes voies de valorisation du biogaz [9]
D’une manière générale, les valorisations thermiques nécessitent des débouchés de proximité. Il peut s’agir de consommateurs externes au site de production (industries, réseaux de chaleur etc.) ou d’usages internes.
Généralement une partie du biogaz produit est utilisée pour maintenir le digesteur à la température de fermentation (généralement 37oC ou 55oC).
Cette consommation interne du procédé représente environ 15 à 30% de la production. L’énergie est parfois utilisée pour déshydrater les boues.
Lorsqu’il n’y a pas de débouchés de proximité, la valorisation du biogaz nécessite son exportation sur les réseaux de distribution : électricité ou gaz naturel (En Europe par exemple).
1.3 Avantages et inconvénients de la digestion anaérobie pour la production de biogaz
L’utilisation de la digestion anaérobie pour la production du biogaz présente des avantages et des inconvénients.
1.3.1 Avantages
Les avantages de la production du biogaz par un procédé de digestion anaérobie peuvent être résumés en quelques points comme :
– la résolution des problèmes de santé publique grâce à une utilisation soigné des ordures
– le recyclage de plusieurs matières organiques comme les eaux usées, les boues, les déjections animales, les résidus agricoles, le reste de fruits, etc ;
– la production de fertilisant agricole ;
– le faible coût de revient de production du biogaz.
1.3.2 Inconvénients
La production du biogaz par un procédé de digestion anaérobie, bien qu’étend très avantageux, présente quelques faiblesses comme :
– le temps relativement long de production du biogaz ;
– la contrainte dûe au contrôle de la nature des matières organiques introduites dans le digesteur.
1.4 Les différents modèles de la digestion anaérobie
Actuellement, les applications concernant la digestion anaérobie des polluants continuent de susciter un vif intérêt auprès de la communauté scientifique et industrielle. La méthanisation est un procédé naturel de transformation de la matière organique réalisée par des bactéries en anaérobiose. Cette transformation aboutit à la formation de biogaz riche en méthane, formant une source d’énergie renouvelable.
Pour analyser le fonctionnement de ces bioréacteurs et prédire leurs performances, la modélisation et la simulation restent des moyens souples et économiques. Ainsi, les premiers modèles mathématiques de bioréacteurs anaérobies ont été proposés dans les années 1970. Depuis lors, des modèles plus ou moins complexes, selon le nombre de processus biochimiques considérés, ont été proposés.
1.4.1 Le modèle ADM1
Le modèle ADM1 pour ”Anaerobic Digestion Model N˚1” est un modèle qui a été développé par les chercheurs de l’IWA (International Water Association) [10]. C’est un modèle très complet permettant de simuler au mieux les réacteurs anaérobies. Néanmoins, ce modèle est très complexe, car il décrit 19 processus biochimiques, processus cinétiques de transferts gaz liquide et 7 populations bactériennes différentes. Ce modèle nécessite le réglage de plus de 80 paramètres.
1.4.2 Le modèle AM2
1.4.2.1 Présentation du modèle
Un modèle plus simple que le ADM1, mais très utilisé, car il concilie précision et simplicité, est le modèle AM2, ”Anaerobic Model N˚2”, qui a
été développé en 2001 par l’Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (INRIA). Ce dernier nécessite moins de paramètres [11].
De nombreuses études de simulation et d’estimation des paramètres du modèle AM2 basées sur différentes techniques ont été effectuées. Cependant, compte tenu de la complexité des mécanismes biotechnologiques et des conditions expérimentales spécifiques à chaque bioréacteur, il y a lieu de noter la grande dispersion dans la détermination des paramètres du modèle AM2 [11].
Le modèle mathématique AM2 correspondant au processus biologique de la méthanisation à deux phases. Il comprend deux processus et deux populations bactériennes comme l’indique la Figure 1.4.
Figure1.4 – Schéma du processus biochimique de la digestion anaérobique à 2 phases
La première étape est celle de l’acidogénèse modélisée par une population de bactéries acidoacétogènes de concentration X1 qui décompose le substrat carboné en acides gras volatiles (AGV), et en dioxyde de carbone. Notons que les deux substrats sont aussi présents dans l’alimentation du réacteur. La réaction chimique modélisée est donc la suivante :
k1S1 r1
−→ k2S2 +k4CO2 (1.2)
Avec la vitesse de réactionr1 = µ1(S1)X1. La croissance de cette population suit une cinétique de Monod :
µ1(S1) = m1S1
K +S (1.3)
Où m1 , représente le taux de croissance maximal et KS1 , la constante de demi-saturation.
La seconde étape est celle de la méthanogénèse modélisée par une population de bactéries méthanogènes acétoclastes de concentration X2 qui transforment les AGV (substrat S2, provenant de l’alimentation et/ou issu de l’acidogénèse) en méthane et en dioxyde de carbone selon la réaction chimique suivante :
k3S2 r2
−→ X2 +k2S2 +k3CO2 + k6CH4 (1.4) Avec la vitesse de réaction r2 = µ2(S2)X2.
La croissance de cette population suit une cinétique de Haldane qui permet de modéliser l’inhibition des méthanogènes par l’accumulation des AGV. On a :
µ2(S2) = m2S2
kS2 +S2 + Sk22i (1.5) où m2 représente le taux de croissance maximal, KS2 la constante de saturation et Ki la constante d’inhibition. [12]
k1, k2, k3, k4, k5, k6 sont des coefficients Stœchiométriques.
1.4.2.2 Equations du modèle dynamique
Le modèle mathématique AM2 est basé sur les lois de croissances et il fait intervenir les variables dynamiques suivantes :
X1 et X2 sont respectivement la concentration de la population bactérienne acidogène et la concentration de la population bactérienne méthanogène ;
S1 et S2 sont respectivement la concentration du substrat de matières carbonées et la concentration du substrat en acides gras volatils.
Considérons le modèle mathématique suivant de la digestion anaérobie basée sur les deux réactions principales, où le substrat S1 est dégradé dans un substrat S2 par des bactéries X1 puis le substratS2 est dégradé par des bactéries X2.
Pour un système batch, le modèle mathématique s’exprime sous la
forme d’un système d’équations différentielles couplées du premier ordre.
Ce modèle se traduit par : dS1
dt = −k1µ1(S1)X1 (1.6)
dX1
dt = µ1(S1)X1 (1.7)
dS2
dt = k2µ1(S1)X1 −k3µ2(S2)X2 (1.8) dX2
dt = µ2(S2)X2 (1.9)
Les paramètres ki sont les coefficients pseudo-stœchiométriques associés aux deux réactions.
Le débit de méthane, qui est le produit attendu, dépend directement de la croissance de la population bactérienne méthanogène X2 , selon la relation :
QCH4 = k4µ2(S2)X2 (1.10) 1.4.3 Autres modèles
Les différents modèles de la digestion anaérobie sont développés autour de deux grandes hypothèses. La première stipule que les processus de la digestion anaérobie sont des processus enzymatique et microbien (Modèle ADM1). La deuxième quant à elle énonce que les processus de la digestion anaérobie reposent uniquement sur des phénomènes microbiens (Modèle AM2). Ainsi, plusieurs travaux dans la modélisation des bioréacteurs anaérobies donnent des résultats qui sont proches des deux modèles cités ci-dessus. On peut donc énumérer les modèles AM2b, AM2G.
Conclusion
A travers ce chapitre, nous avons fait ample connaissance du processus de digestion anaérobie. Nous avons pu identifier les différents paramètres (dont la température) qui influence son bon déroulement. S’il en est ainsi, comment peut-on améliorer les performances du digesteur ?
CHAPITRE 2
Identification du dispositif de chauffage
Introduction
La digestion anaérobie regroupe un certain nombre de processus chimiques et biologiques dont le bon déroulement dépend de la température au sein du digesteur. Ainsi, quelques techniques de chauffage ont été développées. Quels sont ces dispositifs et leurs performances ?
2.1 Système de chauffage du digesteur
2.1.1 Autoconsommation
La digestion anaérobie de la matière organique ne produisant pas significativement de chaleur, il est nécessaire de chauffer les digesteurs pour maintenir une température compatible avec une bonne activité microbienne. Ce chauffage est assuré généralement en consommant une partie du méthane produit. Pour limiter cette autoconsommation, les opérateurs isolent thermiquement les digesteurs et préfèrent travailler en zone mésophile, c’est-à-dire dans un domaine de températures comprises entre 25 et 45oC. L’autoconsommation est alors de l’ordre de 15 à 25%
du méthane produit. Il est possible de travailler en zone thermophile, entre 50 et 70oC, pour accroître les vitesses de biodégradation, donc la
productivité en méthane et réduire la taille des digesteurs. Cependant, cette approche exige une isolation thermique optimale, pour ne pas accroître l’autoconsommation, et est plus difficile à maîtriser.
2.1.2 Circuit externe de recirculation
Le chauffage des digesteurs se fait le plus souvent par un circuit externe de recirculation :
– les boues sont pompées depuis le fond du digesteur ; – elles passent dans un échangeur «eau chaude/boues» ;
– puis retournent vers la bâche d’alimentation du digesteur où elles sont mélangées avec les boues fraîches, ce qui permet de réchauffer celles-ci et de les ensemencer en bactéries méthanogènes.
2.1.3 La cogénération
Le principe de la cogénération consiste à produire simultanément de l’électricité (via un alternateur) et de la chaleur à partir de la combustion du biogaz.
Les échangeurs thermiques sont en général de type tubulaire, ce qui facilite leur entretien. Ils sont alimentés, par l’eau chaude provenant d’une chaudière biogaz, ou du circuit de refroidissement d’un moteur biogaz (cogénération) Figure 2.1 et Figure 2.2.
Figure 2.1 – Schéma de principe de la cogénération
On rencontre aussi parfois des échangeurs spiraux. Pour améliorer le bilan thermique de la méthanisation, il est possible de préchauffer les boues fraîches avec les boues digérées extraites du digesteur par un échangeur boues/boues, en veillant aux risques de colmatage. Cette pratique, peu développée, peut permettre d’économiser plus de la moitié de la chaleur nécessaire au chauffage.
Figure 2.2 – Schéma d’un système de chauffage à cogénération
2.1.4 Le chauffage solaire
Les diverses techniques de chauffage précité n’ayant pas eu un bon rendement, certains scientifiques se sont lancés dans la recherche d’une nouvelle technique de chauffage. Alors, le chauffage solaire s’est montré comme une alternative prometteuse. Ainsi, on peut mentionner entre autres, les travaux de K. Hadri et al [13] qui ont réalisé un chauffage solaire en utilisant un capteur solaire plan. Ce dernier sert aussi de couvercle au digesteur. Le schéma descriptif est présenté à la Figure 2.3
Figure 2.3 – Schéma descriptif du digesteur solaire de type batch [13]
A travers leurs travaux, Hadri et al ont montré que la température au sein de leur digesteur varie dans la plage de température mésophile avec uniquement l’utilisation de leur dispositif de chauffage solaire.
S’il en est ainsi, ne peut-on pas aussi améliorer les performances du dispositif de chauffage en concentrant plus les rayons solaires sur le digesteur ?
2.2 Les systèmes de chauffage à concentration solaire
Les collecteurs d’énergie solaire à concentration concentrent de larges quantités de rayonnement solaire sur une zone de faible surface afin de générer des températures élevées, typiquement dans une plage de 400 à 1000oC. Cette énergie thermique est soit utilisée directement dans des applications de chaleur industrielle, soit convertie en électricité à l’aide de turbines à gaz ou à vapeur.
La technologie solaire à concentration présente un grand intérêt au niveau global, dans la mesure où elle est un moyen de faire face à la demande croissante en électricité solaire. Dans le monde entier, des sommes très élevées ont été investies dans le développement de cette technologie ; des systèmes l’employant et destinés à un usage commercial sont installés
depuis 2005. Toutefois, les différentes technologies utilisées n’ont pas encore fait l’objet d’une optimisation, que ce soit sur le plan technique ou sur le plan économique [14]. Il faudra encore attendre d’avoir rassemblé une expérience plus importante avant que l’énergie solaire à concentration puisse être considérée comme une source d’électricité fiable et à faible coût.
Dans cette rubrique, nous ne parlerons pas de la technologie de production de l’électricité grâce à l’énergie solaire, mais plutôt de l’utilisation des systèmes de concentration pour le chauffage.
2.2.1 Miroirs cylindro-paraboliques
Les miroirs cylindro-paraboliques sont illustrés à la Figure 2.4.
Figure 2.4 – Fonctionnement d’un capteur à miroir cylindro-parabolique.
Le miroir cylindro-parabolique suit la trajectoire du soleil pendant la journée [14].
Le rayonnement solaire est réfléchi par le miroir sur un capteur tubulaire sous vide, placé dans l’axe longitudinal du miroir. À l’intérieur du capteur, un fluide caloporteur transmet la chaleur à de l’eau par le biais d’un échangeur thermique afin de produire de la vapeur surchauffée, qui entraîne une turbine à vapeur conventionnelle pour produire de l’électricité. Pour des applications à plus faible température, c’est-à-dire inférieures à 200oC, le fluide caloporteur est fréquemment un mélange d’eau déminéralisée et d’éthylène glycol. Pour des applications à haute température, c’est-à-dire dans une plage de 200−500oC, on emploie des huiles synthétiques ou des sels fondus. Les miroirs suivent la trajectoire du soleil pendant la journée.
Intégré dans une centrale électrique solaire, ils ont plusieurs avantages et inconvénients.
Avantages :
– Les systèmes à miroirs cylindro-paraboliques représentent les technologies solaires à concentration les plus développées, et par conséquent, les plus accessibles, commercialement parlant.
– Le rendement net de 15% d’une telle centrale a été éprouvé sur le plan commercial. Les coûts d’investissement et de fonctionnement ont fait leur preuve.
– Les systèmes sont modulaires.
– Les systèmes présentent un bon coefficient d’utilisation des sols.
– Les besoins en matériaux sont peu élevés.
– L’hybridation possible avec des centrales électriques conventionnelles a été établie.
Inconvénients :
– La dissipation de chaleur est importante au niveau du champ de miroirs cylindro-paraboliques.
– On n’a pas encore trouvé de fluide caloporteur idéal pouvant être employé dans le champ de miroirs cylindro-paraboliques. Ceci est un problème potentiel, en raison de la longueur des canalisations traversant le champ en direction de l’usine productrice de vapeur.
2.2.2 Tour solaire (ou centrale à tour, ou collecteur central)
La tour solaire est illustrée à la Figure 2.5. Le rayonnement solaire est réfléchi par des héliostats (qui sont des réflecteurs en acier de grande taille) sur un capteur (échangeur thermique), en haut d’une tour solaire.
Le fluide caloporteur dans le capteur (eau/vapeur, sels fondus ou air) transporte ensuite la chaleur à une autre section de la centrale, en général à un réservoir d’eau où de la vapeur à haute température est produite, en vue d’entraîner un générateur de vapeur.
Figure 2.5 – Fonctionnement d’une tour solaire[15]
Il est également possible d’employer du gaz ou de l’air sous pression à 1000oC, afin d’entraîner des turbines à gaz très performantes, avec cycles combinés gaz/vapeur modernes.
Mise en œuvre dans une centrale électrique solaire, cette technologie a plusieurs avantages et inconvénients.
Avantages :
– De bonnes perspectives à moyen terme pour des rendements élevés, en raison du potentiel permettant d’atteindre des hautes températures, de plus de 1000oC.
– Elles est mieux adaptée au refroidissement sec que les miroirs cylindro-paraboliques.
– Son installation est possible sur des terrains vallonnés.
Inconvénients :
Les coûts d’investissement et de fonctionnement n’ont pas encore fait leur preuve sur le plan commercial.
2.2.3 Réflecteur linéaire de Fresnel
Les réflecteurs linéaires de Fresnel sont illustrés à la Figure 2.6.
Les réflecteurs linéaires de Fresnel (LFR) présentent une forme proche de
Figure 2.6 – Fonctionnement d’un capteur linéaire de Fresnel [14].
celle des miroirs cylindro-paraboliques, avec de longues rangées de miroirs plats ou légèrement courbes réfléchissant le rayonnement solaire sur des capteurs fixes et linéaires, tournés vers le bas. Un modèle plus récent, appelé
«réflecteurs linéaires de Fresnel compacts» (CLFR, pour Compact Linear Fresnel Reflectors) possède deux capteurs parallèles pour chaque rangée de miroir, utilisant ainsi moins de terrain que les miroirs cylindro-paraboliques pour produire la même quantité d’électricité. Les systèmes LFR chauffent de l’eau passant directement par les capteurs afin de produire de la vapeur à environ 270oC (DSG, ou Direct Steam Generation : génération directe de vapeur), éliminant ainsi le besoin en fluides caloporteurs synthétiques et en échangeurs de chaleur. Allié aux coûts plus faibles de fabrication et d’installation des miroirs, ceci fait des systèmes LFR des solutions moins coûteuses que les systèmes à miroirs cylindro-paraboliques.
Intégré dans une centrale électrique solaire, ils ont plusieurs avantages et inconvénients.
Avantages :
– Les matériaux peuvent être facilement obtenus.
– Les coûts de fabrication et d’installation sont plus faibles que pour les systèmes à miroirs cylindro-paraboliques.
– La superficie de terrain nécessaire pour la production d’une quantité d’électricité donnée est moins importante que pour les miroirs cylindro-paraboliques.
– Le fluide caloporteur utilisé par les systèmes est l’eau ; il est donc possible de produire de la vapeur directement, ce qui entraîne des pertes plus faibles lors du transport entre le champ de capteurs et la turbine à vapeur.
– Le fonctionnement hybride est possible (en combinaison avec une centrale électrique conventionnelle à gaz ou à charbon).
Inconvénients :
– Les coûts d’investissement et de fonctionnement n’ont pas encore fait leur preuve sur le plan commercial,
– Le rendement est inférieur à celui des systèmes à miroirs cylindro-paraboliques, avec un rendement de conversion du rayonnement solaire en électricité de 8−10%,
– La combinaison de systèmes LFR avec le stockage thermique est compliquée.
2.2.4 Capteur parabolique
Le capteur parabolique est illustrés à la Figure 2.7. Le miroir
Figure 2.7 – Fonctionnement d’un capteur parabolique. Le capteur suit la trajectoire du soleil pendant la journée[14]
parabolique concentre le rayonnement solaire sur un capteur, au point focal du miroir. Le fluide caloporteur (liquide ou gaz) dans le capteur est chauffé à environ 750oC et entraîne un petit piston, un moteur Stirling ou une micro-turbine reliés au capteur, afin de produire de l’électricité directement au niveau du miroir parabolique. Le miroir suit la trajectoire du soleil pendant la journée. La concentration solaire élevée et les températures de fonctionnement ont permis aux systèmes avec miroirs paraboliques d’atteindre des rendements de conversion du rayonnement solaire en électricité de 30%. Outre le rendement potentiel élevé, un autre avantage majeur des systèmes à miroirs paraboliques est le fait qu’ils ne requièrent aucun système de refroidissement.
Mise en œuvre dans une centrale électrique solaire, cette technologie a plusieurs avantages et inconvénients.
Avantages :
– Les systèmes à miroirs paraboliques présentent des rendements de conversion élevés, de plus de 30%.
– L’eau n’est pas nécessaire au refroidissement.
– Les systèmes sont particulièrement adaptés à l’alimentation électrique décentralisée, et à des applications électriques autonomes isolées, – Le système est modulaire.
– Les miroirs paraboliques ne sont pas cantonnés à des terrains plats.
– Dans les centrales de grande taille, le stockage thermique peut être intégré avec une grande efficacité.
– La fabrication et production en série à partir de pièces existantes.
Inconvénients :
– Il n’existe aucune centrale de grande taille à destination commerciale et, par conséquent, les coûts d’investissement et de fonctionnement n’ont pas encore fait leur preuve à cet égard.
– Les objectifs de coûts de la production en série n’ont pas encore été testés.
– Le potentiel de la capacité de distribution pour l’intégration au réseau est faible.
– Des capteurs hybrides n’ont pas encore été développés.
2.2.5 Résumé des technologies
La table 2.1 contient un résumé des technologies solaires à concentration présentées jusqu’ici. À partir de cette table, il est possible de constater que les centrales à miroirs cylindro-paraboliques atteignent des rendements annuels moyens de conversion du rayonnement solaire en électricité de 15%, et que leur potentiel d’amélioration technologique est limité, par rapport aux autres technologies. Les centrales à tours solaires en activité réalisent des rendements de conversion du rayonnement solaire en électricité de 17% ; elles présentent un potentiel d’amélioration technologique permettant d’envisager des rendements atteignant 35%.
Les centrales LFR présentent les rendements les plus faibles, mais elles sont également les moins coûteuses actuellement. Les centrales à miroirs paraboliques présentent un rendement potentiel pouvant atteindre 30%, mais le développement de la technologie doit se poursuivre en vue d’améliorer la fiabilité du système. Un grand avantage des centrales à miroirs paraboliques est le fait de ne pas avoir besoin d’un système de refroidissement.
Table2.1–Résumédestechnologiesd’énergiesolaireàconcentration[16] TechnologieRendement optique*Rendement annuel, conversion solaire énergie électrique Superficie nécessaireRefroidis- sement pareau (litre/MWh)
Possibilité destockageModede secours hybride possible Combus- tibles solaires Persperctive d’améliora- tion
Miroir cylindro- parab oli- que
**15%Élevée3000
Oui, mais
pas encoreavec GDV**
ouiNonLimitées Tour solaire*17-35%Moyenne2000Enfonction dela
configura- tion dela centrale
ouioui
Très imp
ortantes
Réflecteur linéaire de
Fresnel
**8-10%Moyenne2000
Oui, mais
pas encoreavec GDV**
ouiNonImportantes
Miroir parab oli- que
***25-30%FaibleAucunEnfonction dela
configura- tion dela centrale Oui, dans des
cas limités ouiParla production ensérie
Remarques
* Le rendement optique est le rapport entre l’énergie absorbée par le capteur solaire et l’énergie solaire reçue par l’ensemble de l’installation.
** GDV - Génération directe de vapeur.
2.3 Travail à faire
Après une étude approfondie de la bibliographie, nous avons fait un certain nombre de remarques.
Ainsi, nous avons remarqué q’un bon processus de méthanisation est influencé par un certain nombre de facteurs dont la température du substrat(Section 1.1.2.1). La durée du processus de digestion anaérobie est fortement influencée par la température du substrat et avoisine souvent une durée de 30 à 40 jours pour des processus à température mésophile.
Ensuite, les différentes techniques de chauffage utilisées présente des limitations. L’autoconsommation baisse le rendement général du système et ne peut être vraiment envisagé que dans le cas d’une production industrielle, c’est-à-dire une production qui nécessite une installation de grande envergure. La cogénération quant à elle contraint le système du digesteur à être asservi à une génératrice, ne favorisant pas ainsi une autonomie du système de méthanisation pour une utilisation à petite ou moyenne échelle (Section 2.1.1).
Enfin, les dispositifs de chauffage utilisés, vu leurs rendements et leurs contraintes techniques, rendent l’utilisation du digesteur difficile à la couche moyenne de la population. Or, la méthanisation est une technique qui nous permet d’avoir une source d’énergie renouvelable (méthane qui peut être transformé sous d’autre forme d’énergie) et du fertilisant naturel et riche pour les sols. Il s’avère donc nécessaire qu’il faille trouver une manière pour mettre l’utilisation de cette technique au service de la couche de la population la plus défavorisée (Section 1.1.1).
Face à ces différents problèmes, nous nous sommes donné comme objectif d’étudier un dispositif de bioréacteur anaérobie dont les
caractéristiques pourraient trouver une solution à un certain nombre de problèmes relevés ci-dessus. Le grand problème pouvant être retenu comme : La production du biogaz à un coût réduit et dans un court délai.
Nous prévoyons pour ce bioréacteur anaérobie, un système de chauffage complémentaire à l’autoconsommation et qui sera un système très peu gourmand en énergie. Notre choix s’est porté sur un système de chauffage solaire vu la disponibilité de cette ressource pour l’intégralité de la population.
Pour l’étude du dispositif, nous avons en vue de faire une modélisation du système de chauffage et du digesteur, de procéder à des simulations sur un logiciel adéquat (LabVIEW) et de faire une simulation Hadware In the Loop (HIL) de l’ensemble du système pour le contrôle de la température.
Pour finir, on évaluera les performances du système proposé et les possibles améliorations à apporter au dispositif.
Conclusion
Les dispositifs de chauffages étudiés ont tous des points forts et des points faibles. Cependant, quelques-uns sortent du lot et peuvent contribuer à la réalisation de notre dispositif de chauffage.
CHAPITRE 3
Modélisation du système et présentation du concept de la simulation HIL
Introduction
Plusieurs dispositifs de chauffage existent pour augmenter la température au sein du digesteur. Néanmoins, très peu d’entre eux envisage l’utilisation de l’énergie solaire en particulier, celle à concentration. Dans ce chapitre, nous présenterons dans un premier temps, le modèle du digesteur et du système de chauffage proposé, puis dans un second temps, le concept de la simulation HIL.
3.1 Système étudié
3.1.1 Le digesteur
3.1.1.1 Présentation du digesteur
Le système étudié est un digesteur à dôme fixe de type batch. Ce digesteur est construit en béton entièrement sous le sol, et est couvert d’un dôme rigide et non amovible, jouant le rôle d’un gazomètre et offrant une voie d’accès pour l’entretien du digesteur. Il se présente sous une forme cylindrique. Ce modèle offre l’avantage d’une durée de vie assez longue
(plus de 15 ans) et d’un entretien facile.
Le succès de ce type de digesteur est probablement dû à la disponibilité locale des matériaux de construction, aux coûts d’installation relativement faibles, à l’absence de composantes amovibles et d’acier corrodable, à une longue durée de vie dans le cas où il a été bien construit et bien entretenu, une économie de l’espace liée à sa construction souterraine, etc. Cependant, les retours d’expérience font état de certains problèmes fréquemment rencontrés, dont des cas de fuites dans la partie supérieure de la structure en briques et perte de biogaz, fluctuation de pression du gaz en fonction du volume stocké, température généralement faible. Ce digesteur est particulièrement adapté aux déjections animales et autres déchets assimilés. Il doit être placé dans un site ensoleillé et à l’abri du vent pour maintenir une température adéquate à l’intérieur du digesteur.
Le fond de la cuve ne doit pas atteindre la nappe phréatique ; sinon, cela peut causer des problèmes de pertes thermiques, infiltration, pollution, et sous-pression.
3.1.1.2 Caractéristique du digesteur Ce digesteur comporte :
– un orifice d’entrée des matières organiques, débouchant à mi-hauteur dans la fosse ;
– un compartiment de fermentation parfaitement étanche à l’air et à l’eau ;
– un couvercle à dôme est fixé dans lequel le gaz s’accumule ; ce couvercle permet de faire des interventions humaines dans la fosse ; – un tuyau d’évacuation du gaz vers des collecteurs ; ces collecteurs
peuvent être faits de divers matériaux comme une grande chambre à air, un baril flottant, une vessie spéciale, etc.
Après sa construction, ce digesteur doit suivre certains tests pour assurer l’étanchéité à l’eau et à l’air. On doit remplir la cuve de fermentation et la laisser absorber l’eau jusqu’ à saturation (4 à 5 heures) : si le niveau de l’eau n’as pas baissé durant une journée, alors la cuve est bonne, dans le cas contraire, on procède à la réparation.
La Figure 3.1 nous donne une idée du dispositif globale.
Figure 3.1 – Schéma du dispositif de digestion avec système de chauffage
3.1.1.3 Modélisation de la méthanisation au sein du digesteur
A travers les différents travaux développés dans la première partie de notre travail, il a été retenu d’utiliser le modèle AM2 comme modèle de base pour représenter le fonctionnement du digesteur. Comparé au modèle ADM1 qui nécessite la prise en compte d’un nombre élevé de paramètres (80) et de processus chimique(19), le modèle AM2 est plus souple et représente fidèlement le processus de digestion anaérobie. Il est le plus utilisé pour rendre compte de l’évolution des différents processus de la méthanisation. Ces équations déjà présentées dans la section 1.4.2 sont
