Modelling and control of biomethanization for energy production
Modélisation de la qualité du biogaz produit par un fermenteur méthanogène et stratégie de régulation en vue de sa valorisation
Résumé
Anaerobic digestion involves a complex ecosystem that progressively degrades the organic matter into carbon dioxide and (bio)methane. The biomethane is an highly energetic environmental friendly biofuel which can replace natural gas in the perspective of sustainable development. However biogas is still valorised below its potential. This is mainly due to a lack of dedicated methods that would ensure the anaerobic plant durability and the stability of the biogas composition. Two approaches are considered to improve liquid waste valorisation. On the one hand we develop methods to monitor anaerobic plants instabilities and prevent dysfunctions, and on the other hand we propose to control the biogas quality.
These methods require accurate models to predict the process evolution. We propose a fine modeling of the liquid-gas exchange, and we show that the seeming transfer coefficient kLa depends on the biogas flow-rate. This leads to a linear relation between the dissolved CO2 and the biogas quality, which is used to improve an existing model for anaerobic digestion. A risk index based on a stability analysis of a simple model is introduced. This approach is applied on a real anaerobic plant and we show that the criterion allows to detect a potential destabilisation, earlier than the usual monitored parameters (pH, VFA). Eventually we present a control strategy of the biogas quality based on the regulation of the digester alkalinity. Several control laws are experimentally validated on a pilot plant.
These methods require accurate models to predict the process evolution. We propose a fine modeling of the liquid-gas exchange, and we show that the seeming transfer coefficient kLa depends on the biogas flow-rate. This leads to a linear relation between the dissolved CO2 and the biogas quality, which is used to improve an existing model for anaerobic digestion. A risk index based on a stability analysis of a simple model is introduced. This approach is applied on a real anaerobic plant and we show that the criterion allows to detect a potential destabilisation, earlier than the usual monitored parameters (pH, VFA). Eventually we present a control strategy of the biogas quality based on the regulation of the digester alkalinity. Several control laws are experimentally validated on a pilot plant.
La digestion anaérobie implique un écosystème complexe qui dégrade progressivement la matière organique est la transforme en dioxyde de carbone et en (bio)méthane. Ce biogaz est une source d'énergie renouvelable dont l'utilisation s'inscrit dans une optique de développement durable. Le potentiel biogaz reste néanmoins sous-exploité à cause d'un manque d'outils adaptés pour garantir la pérennité des installations et mieux maîtriser la qualité du biogaz. Nous proposons des stratégies pour mieux valoriser les résidus organiques liquides, à travers deux approches. L'une propose des méthodes pour identifier un risque de déstabilisation et prévenir un mauvais fonctionnement du procédé, l'autre repose sur la régulation de la qualité du biogaz. Ces méthodes nécessitent des modèles dynamiques pour décrire avec précision l'évolution des variables du système. Nous proposons une modélisation fine des transferts liquide-gaz, qui conduit à un modèle où le coefficient de transfert (kLa) dépend du débit total de biogaz.
Ce lien implique une relation linéaire entre la qualité du biogaz et la concentration en CO2 dissous, qui sert à améliorer les modèles existants. Un indice de risque de déstabilisation du procédé est construit à partir d'une analyse de stabilité d'un modèle simplifié. Cette procédure, appliquée à un procédé pilote, peut détecter une éventuelle déstabilisation du fermenteur, plus tôt que les indicateurs usuels (pH, acides gras volatils). Enfin, nous introduisons une nouvelle stratégie de contrôle de la qualité du biogaz basée sur la régulation de l'alcalinité dans le digesteur. Différentes lois de commande sont proposées et validées expérimentalement sur un réacteur pilote.
Ce lien implique une relation linéaire entre la qualité du biogaz et la concentration en CO2 dissous, qui sert à améliorer les modèles existants. Un indice de risque de déstabilisation du procédé est construit à partir d'une analyse de stabilité d'un modèle simplifié. Cette procédure, appliquée à un procédé pilote, peut détecter une éventuelle déstabilisation du fermenteur, plus tôt que les indicateurs usuels (pH, acides gras volatils). Enfin, nous introduisons une nouvelle stratégie de contrôle de la qualité du biogaz basée sur la régulation de l'alcalinité dans le digesteur. Différentes lois de commande sont proposées et validées expérimentalement sur un réacteur pilote.