Version du 8 octobre 2017 à 13:22

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.

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.

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. Néanmoins un modèle générique très détaillé, baptisé ADM1, a été proposé par un groupe d'experts internationaux sous l'égide de l'International Water Association. Cependant bien qu'il soit séduisant, de par l'exhaustivité des phénomènes qu'il permet de décrire, sa grande complexité en font un système fortement non-linéaire difficile à appréhender. Par conséquent, pour ce projet, je vais choisir un modèle plus synthétique, baptisé AM2, qui se prête plus aisément à des procédures de calibration et permet le développement d'observateur de stratégies de contrôle

Présentation du modèle AM2

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: 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:

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

Au cours de la première étape, la biomasse acidogène (X1) transforme le substrat organique S1 en dioxyde de carbone et en acide gras volatils(AGV). Durant la deuxième, les bactéries méthanogènes présentes dans le digesteur consomment les AGV et les transforment en méthane et en dioxyde de carbone