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Expose sur le thème: PILES A COMBUSTIBLE DE DECHETS Gpc4/FGI/2019-2020 SOMMAIRE

Expose sur le thème: PILES A COMBUSTIBLE DE DECHETS Gpc4/FGI/2019-2020 SOMMAIRE SOMMAIRE…………………………………………………………………1 LISTE DES ILLUSTRATIONS………………………………………….2 INTRODUCTION…………………………………………………………5 I. GENERALITES……………………………………………………………………6 1. Historique des piles à combustible de déchets…………………………………………6 2. Définitions (pile combustible, déchets, piles combustibles de déchets)……………….7 3. Un peu sur les piles à combustibles classiques (PAC)………………………………...9 II. FONCTIONNEMENT DE LA PILE A COMBUSTIBLE ………………………..10 1. Structure globale d’une pile à combustible…………………………………………...10 2. Principe de fonctionnement des PACMs………………………………………………11 3. Mécanisme dans les piles à combustible………………………………………………12 4. Caractéristiques et performances………………………………………………………18 5. Combustible et comburant……………………………………………………………..24 III. TYPES ET DESIGN DE PILES A COMBUCTIBLES DE DECHETS……………..25 1. Type…………………………………………………………………………………………25 2. Design…………………………………………………………………………………………26 IV. AVANTAGES ET INCONVENNIENTS DES PACMs…………………………… 31 1. Avantages …………………………………………………………………………….31 2. Inconvénients…………………………………………………………………………32 Page 1 Expose sur le thème: PILES A COMBUSTIBLE DE DECHETS Gpc4/FGI/2019-2020 V. APPLICATIONS DES PILES A COMBUSTIBLE DE DECHETS……………….33 1. Epuration des eaux / Production de l’électricité………………………………………33 2. Production de l’hydrogène……………………………………………………………36 3. Transport et téléphone portable……………………………………………………….37 4. Capteurs environnementaux…………………………………………………………38 CONCLUSION………………………………………………..40 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES……………….41 Index des figures Figure1 : Schémas de la pile à combustible. A : totalement microbienne, B : semi microbienne anodique (Ketep, 2012)………………………………………………………………………………8 Figure2 : les huit principales parties d’une PCM :1) la flore électrogène, 2) l’anode, 3) le substrat, 4) les électrolytes, 5) séparation anode/cathode, 6) circuit externe, 7) cathode, 8) l’architecture du réacteur………………………………………………………………………………………………..11 Figure3 : Représentation schématique d’une pile à combustible microbienne (biopile) permettant de produire de l’électricité lors de la dégradation de déchets par les bactéries. La dégradation des molécules et la libération des électrons s’effectuent à la surface de l’anode où se multiplient les bactéries (biofilm bactérien)…………………………………………………………………………12 Figure4 : Représentation d’une pile à combustible microbienne mettant en jeu l’oxydation à l’anode d’un produit du métabolisme bactérien. Par exemple, l’hydrogène est produit par les bactéries à partir du glucose. Cet hydrogène s’oxyde de façon abiotique à l’anode en ions H+ qui traversent la membrane pour rejoindre le compartiment cathodique. Les électrons sont transmis à l’anode et circulent jusqu'à la cathode où a lieu la réduction de l’oxygène. Ce procédé ne permet de récupérer qu’une partie des électrons disponibles dans le substrat (glucose) et résulte en l’accumulation de produits organiques dans le compartiment anodique. Adapté de (Lovley 2006a)………………13 Figure5 : Représentation d’une pile à combustible microbienne mettant en jeu des médiateurs électrochimiques artificiels. Un médiateur électrochimique accepte les électrons de composants réduits Page 2 LISTE DES ILLUSTRATIONS Expose sur le thème: PILES A COMBUSTIBLE DE DECHETS Gpc4/FGI/2019-2020 de la cellule et s’oxyde de façon abiotique à l’anode à laquelle il transmet les électrons. Le médiateur effectue plusieurs cycles successifs de réduction-oxydation. Dans la plupart des cas, les cellules qui utilisent des médiateurs électrochimiques n’oxydent pas le substrat (glucose) complètement en CO2. Adapté de (Lovley 2006a)…………………………………………………………………………..15 Figure6 : Représentation d’une pile à combustible microbienne mettant en jeu des bactéries capables de transférer directement leurs électrons à une électrode. Le glucose est assimilé dans la cellule où il est oxydé en dioxyde de carbone via des voies classiques du métabolisme tel que le cycle d’acide tricarboxylique. Les électrons issus de cette oxydation sont transférés à travers la membrane cellulaire par des protéines transporteuses d’électrons tels que des cytochromes. Dans ce système le substrat (glucose) est totalement oxydé en CO2. Adapté de (Lovley 2006a)…………………………17 Figure7 : Courbe de polarisation d’une pile à combustible microbienne (noire) et pertes associées : activation (rouge), ohmiques (vert) et concentration (bleu)…………………………………………21 Figure8 : (a) cellule mono-chambre (Park and Zeikus, 2003). (b) cellule cylindrique à lit granulaire et cathode à air externe (Rabaey et al., 2005b). (c) cellule cylindrique à cathode poreuse interne (Liu et al., 2004). Les figures sont adaptés de Du et al. (Du et al., 2007)…………………………………28 Figure9 : (a) cellule de type H » (Delaney et al., 1984). (b) cellule rectangulaire (Allen and Bennetto, 1993). (c) cellule à lits granulaires (He et al., 2005). (d) cellule à lits granulaires et cathode interne en U (He et al., 2006). (e) cellule plate à écoulement serpentin (Min and Logan, 2004).(f) cellule miniature (Rngeisen et al., 2006b). Les schémas sont adaptés de Du et al. (Du et al., 2007) ………………………………………………………………………………………………..29 Figure10 : (a) cellule à flux traversant dont les compartiments sont séparés par de la laine de verre et des billes de verre (Jang et al., 2004). (b) même principe pour le (a) dans un réacteur rectangulaire sans barrière physique entre les deux compartiments (Tartakovsky and Guiot). (c) cellule s’apparentant à une configuration double-chambre classique avec membrane, mais dont l’anolyte est pompé vers le compartiment cathodique (Freguia et al., 2008). Les schémas (a) et (b) sont adaptés de Du et al. (Du et al., 2007). Le schéma (c) est l’original tiré de (Freguia et al., 2008) …………………………………………………………………………………………………30 Figure11 : (a) empilement de 6 cellules à lit granulaire (Aeltermann et al., 2006). (b) empilement de deux cellules (Oh and Logan, 2007). (c) PMC en serie (Zhuang et al., 2012). (d) PMC constructale à quatre canaux en parallèle (Lepage, 2012)………………………………………………………….31 Figure12 : Schéma du procédé de production d’hydrogène grâce à une PACM détournée, constituée de compartiments séparés par une membrane échangeuse de protons (PEM). L’ensemble est mis sous une tension de 250mV grâce à un générateur de tension……………………………35 Figure13 : Schéma du procédé de production d’hydrogène grâce à une PACM détournée, constituée de compartiments séparés par une membrane échangeuse de protons (PEM). L’ensemble est mis sous Page 3 Expose sur le thème: PILES A COMBUSTIBLE DE DECHETS Gpc4/FGI/2019-2020 une tension de 250mV grâce à un générateur de tension………………………………………………………………………………………………37 Index des tableaux Tableau1 : principale caractéristique des piles à combustible classique. AFC : Alcaline Fuel Cell, PAFC : Phosphoric Acid Fuel Cell , MCFC :Molten Carbonate Fuel Cell, DMFC :Direct Methanol fuel cell, SOFC : Solid Oxide Fuel Cell, PEMFC : Proton Exchange Manbrane Fuel Cell (Laminie et Dicks 2003 ;Miachon 1995 ; Mianka 2011)…………………………………………………………10 Tableau2 : Tableau récapitulatif des densités de courant obtenues dans des piles à combustible microbiennes mettant en jeu l’oxydation à l’anode d’un produit du métabolisme bactérien du type H2 ou H 2 S. Inspiré de (Katz et al. 2003a) puis complété. Lesvaleurs en gras ont été vérifiées et recalculées……………………………………………………………………………………………14 Tableau3 : Tableau récapitulatif des densités de courant obtenues dans des piles à combustible microbiennes mettant en jeu des médiateurs électrochimiques au cours de l’oxydation de la matière organique (Katz et al. 2003a). Les valeurs en gras sont été vérifiées et recalculées…………………………………………………………………………………………….16 Tableau4 : Ce tableau regroupe les différentes caractéristiques des PACMs mettant en jeu des bactéries qui transfèrent directement les électrons à l’électrode……………………………………....18 Tableau5 : ce tableau présente quelques exemples de PCM étudiées dans d’autres travaux (Evry) ………………………………………………………………………………………………………………………….26 Tableau6 : Quelques PACMs liées au traitement d’effluents présentés par ordre chronologique. Abat DCO : abattement de DCO, TRH : temps de rétention hydraulique, Rf : rendement faradique……………………………………………………………………………………………..34 Page 4 Expose sur le thème: PILES A COMBUSTIBLE DE DECHETS Gpc4/FGI/2019-2020 L’abandon de la dépendance en énergie fossile héritée de la révolution industrielle pose un défi critique aux sociétés développées. De plus, cette exploitation massive des ressources fossiles carbonées, et nucléaire engendre des impacts environnementaux majeurs déséquilibrant de nombreux écosystèmes. La pile à combustible de déchets se pose donc au carrefour entre ces deux problématiques énergétiques et environnementales en permettant de transformer directement l’énergie chimique contenue dans les composés organiques (biomasse) en énergie électrique. Le principe ici est celui de l’electrocatalyse bactérienne. Ainsi les piles à combustibles de déchets produisent de l’énergie à partir d’une grande variété de composés organiques carbonées ou azotés d’origine naturelle, industrielle et ménagère. Pour comprendre cette technologie dans le cadre de ce travail, nous présenterons en bonne place son principe de fonctionnement, les différents influents et paramètres de fonctionnement, par la suite nous mettrons en exergue les différents types de piles a combustibles, leurs applications. Page 5 INTRODUCTION Expose sur le thème: PILES A COMBUSTIBLE DE DECHETS Gpc4/FGI/2019-2020 I. GENERALITES 1. historique des piles à combustible de déchets L’avènement des piles à combustibles s’inscrit dans une évolution globale au travers des siècles de la production d’énergie dictée par quatre grandes contraintes :  la recherche d’un vecteur énergétique unique et généralisé facilement convertible en d’autres formes d’énergie plus apte à répondre aux divers besoins de l’homme (transport, chauffage, communications) ; l’électricité est le candidat retenu, car il est facile de la produire et de la transporter, mais elle a le gros inconvénient d’être difficile à stocker ;  la recherche d’une diversification des énergies primaires pour limiter les dépendances énergétiques en particulier vis-à-vis des énergies fossiles (pétrole ou gaz)  l’augmentation des rendements des convertisseurs y compris dans le transport ;  la contrainte environnementale (limitations des émissions polluantes) Depuis des siècles, les bactéries capables de transformer de l’énergie chimique (substrat) en électricité, intéressent les scientifiques, cependant, ce n’est qu’aujourd’hui que des applications sont envisagées pour de petits appareils électroniques mais aussi pour des installations pilotes de plusieurs kilowatts. Luigi Galvani en 1790, fut le premier à constater que les pattes d’une grenouille se contractaient lorsqu’un bref courant les traversait. C’est à partir de ce moment-là qu’est apparu le mot « Bioélectricité ». Bien que le concept de pile à combustible ait été découvert en 1839, il faudra attendre 1910, pour que Michael Cresse uploads/Litterature/ exp-pile-combustible.pdf