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Rapport de PFE : Modélisation et Optimisation d’un biométhaniseur Julien Eynard

Rapport de PFE : Modélisation et Optimisation d’un biométhaniseur Julien Eynard Ingénierie de la commande des Systèmes Complexes ESISAR 2006/2007 RAPPORT DE PROJET DE FIN D’ETUDES ESISAR 2006/2007 Modélisation, optimisation dynamique et commande d’un méthaniseur par digestion anaérobie. Laboratoire ELIAUS Laboratoire d'ELectronique, Informatique, AUtomatique et Systèmes Université de Perpignan Via Domitia 52 Avenue Paul Alduy, F66860 Perpignan Cedex EYNARD Julien Dates du stage Du lundi 5 février au vendredi 6 juillet 2007 Module d’approfondissement ISC Ingénierie de la commande des Systèmes Complexes Tuteur Entreprise Grégory François Tuteur ESISAR Laurent Lefèvre 1 Rapport de PFE : Modélisation et Optimisation d’un biométhaniseur Julien Eynard Ingénierie de la commande des Systèmes Complexes ESISAR 2006/2007 RAPPORT DE PROJET DE FIN D’ETUDES ESISAR 2006/2007 Mots clés : Modélisation, Identification, Optimisation analytique, Principe du Maximum de Pontryaguine, Optimisation numérique, Régulation, Bioréacteur, Méthaniseur, Digesteur Anaérobie, Biofilm, AM2 Résumé : Les bioréacteurs anaérobies sont aujourd’hui des moyens performants pour dépolluer les eaux usées des industries agro-alimentaires. Leur capacité à transformer les polluants en biogaz tel que le méthane offre de plus un intérêt écologique et énergétique non négligeable puisqu’ils s’inscrivent aujourd’hui dans les sources d’énergies renouvelables. Cependant, la mise en œuvre des bioréacteurs anaérobies reste souvent sous optimale, notamment pendant les phases de démarrage pour lesquelles les modèles disponibles sont insuffisamment précis, notamment en ce qui concerne la prédiction des profils de biomasse. A partir d’un modèle existant, un modèle de tendances a été développé pour prédire de façon indépendante la biomasse en solution et la biomasse agglomérée en biofilm. L’identification des paramètres du modèle a été réalisée à partir de données de démarrage d’un bioréacteur appartenant au Laboratoire de Biotechnologie de l’Environnement de l’INRA de Narbonne. Ce modèle a été utilisé pour déterminer le profil de commande optimal du taux de dilution et de la concentration d’alimentation en substrat à appliquer au système pour réduire le temps d’atteinte d’un rendement épuratoire pré-spécifié. Une étude sur la régulation du rendement épuratoire avec le taux de dilution a aussi été réalisée et montre un bon compromis entre un excellent taux d’épuration et une vitesse de démarrage intéressante. Key words: Modelling, Identification, Analytic Optimization, Pontryaguine Maximum Principle, Numerical Optimization, Control, Bioreactor, Methaniser, Anaerobic Digester, Biofilm, AM2 Abstract: Today, anaerobic bioreactors are high-performance industrial facilities that are able to remove polluted wastewaters of the food-processing industries. Their capability to transform pollutant is interesting on an ecologic and energetic perspective, since biogases are deemed to be renewable energy sources. However, anaerobic digestion is often performed in a suboptimal manner, notably during the starting phases since biomass concentration transitory profiles are not correctly modelled. A tendency model has been developed on the basis of an existing dynamic model to predict independently bacteria in the solution and bacteria that are bound together in a biofilm. Model parameter identification has been performed using data obtained on the bioreactor of the Environmental Biotechnology Laboratory of the INRA of Narbonne. With this tendency model, optimal control profiles have been found, in terms of dilution rate and organic substrate inlet concentration. Applying this optimal profile to the system leads to a reducing of the time needed to reach a pre-specified yield. In addition, dilution rate was used to control the purification yield. This case study raised a good compromise between high purification rate and a significant final time reduction of the start-up phase. 2 Rapport de PFE : Modélisation et Optimisation d’un biométhaniseur Julien Eynard Ingénierie de la commande des Systèmes Complexes ESISAR 2006/2007 Remerciements Je souhaite exprimer ma reconnaissance à M. Grégory FRANCOIS qui m’a encadré durant ce stage. Les nombreuses connaissances scientifiques qu’il m’a apportées tout au long de ce projet ont fortement contribué à son bon déroulement. Je remercie Mme Monique POLIT qui en acceptant ma candidature m’a permis de réaliser ce stage dans le laboratoire ELIAUS de l’Université de Perpignan. Je remercie également M. Eric LATRILLE et Jean-Philippe STEYER de l’INRA pour leur collaboration scientifique à ce projet. Leurs compétences scientifiques, notamment en biologie et au niveau du bioréacteur ont été très utiles pour guider nos recherches. Enfin je souhaite remercier tous les membres du laboratoire ELIAUS pour leur accueil chaleureux au cours de mon stage. 3 Rapport de PFE : Modélisation et Optimisation d’un biométhaniseur Julien Eynard Ingénierie de la commande des Systèmes Complexes ESISAR 2006/2007 Table des matières 1. Introduction........................................................................................................................ 5 2. Présentation de l’entreprise................................................................................................ 6 2.1 L’Université de Perpignan Via Domitia..................................................................... 6 2.1.1 Historique et présentation................................................................................... 6 2.1.2 Formations.......................................................................................................... 6 2.1.3 International ....................................................................................................... 6 2.1.4 Recherche........................................................................................................... 7 2.2 Laboratoire ELIAUS.................................................................................................. 7 2.2.1 Objectifs scientifiques........................................................................................ 7 2.2.2 Orientation des recherches ................................................................................. 7 2.2.3 Enseignement ..................................................................................................... 8 2.3 Equipe COSMOS ....................................................................................................... 8 2.3.1 Objectifs scientifiques........................................................................................ 8 2.3.2 Procédés de dépollution des eaux usées............................................................. 8 2.3.3 Energie solaire, habitat et production d’électricité............................................. 8 2.4 Laboratoire de Biotechnologie de l'Environnement de l’INRA de Narbonne ........... 9 2.4.1 Objectifs scientifiques........................................................................................ 9 2.4.2 Axes de recherche .............................................................................................. 9 3. Cahier des charges............................................................................................................ 10 3.1 Etude bibliographique .............................................................................................. 10 3.2 Modélisation et Identification .................................................................................. 10 3.3 Optimisation............................................................................................................. 10 3.3.1 Optimisation analytique ................................................................................... 10 3.3.2 Optimisation numérique................................................................................... 11 4. Développement du sujet de stage..................................................................................... 12 4.1 Chronologie du travail effectué................................................................................ 12 4.2 Principes de fonctionnement et modélisation d’un bioréacteur méthaniseur anaérobie. ............................................................................................................................. 13 4.2.1 Etude du fonctionnement des biométhaniseurs................................................ 13 4.2.2 Modèles existants de bioréacteur ..................................................................... 19 4.2.3 Positionnement du problème............................................................................ 23 4.3 Principes théoriques de l’optimisation..................................................................... 24 4.3.1 Problème d’optimisation dynamique ............................................................... 24 4.3.2 Algorithmes d’optimisation numérique ........................................................... 27 4.4 Application de l’optimisation au bioréacteur anaérobie de l’INRA ........................ 31 4.4.1 Amélioration de la modélisation ...................................................................... 31 4.4.2 Identification des paramètres du modèle.......................................................... 35 4.4.3 Recherche de profils de commande optimaux ................................................. 39 4.4.4 Régulation pour l’optimisation......................................................................... 45 4.5 Conclusion sur les résultats du projet....................................................................... 48 5. Conclusion générale du projet.......................................................................................... 49 6. Estimation financière : présentation d’un compte d’exploitation du projet..................... 50 7. Bibliographie.................................................................................................................... 51 8. Annexes............................................................................................................................ 52 4 Rapport de PFE : Modélisation et Optimisation d’un biométhaniseur Julien Eynard Ingénierie de la commande des Systèmes Complexes ESISAR 2006/2007 1. Introduction Aujourd’hui, le retraitement des déchets, œuvrant pour la sauvegarde de l’environnement est devenu un des thèmes prioritaire à la fois pour l’écologie, la politique et l’industrie. L’eau, symbole de la vie par excellence, a été pendant des siècles utilisée sans considération. Elle a été utilisée, souillée, puis rejetée sans le souci de la gestion de la pollution occasionné dans le milieu naturel. Cependant, des avancées importantes ont été réalisées, depuis le siècle dernier pour la dépollution de cette ressource naturelle essentielle. Après une utilisation inconsidérée pendant des siècles, une prise de conscience a favorisée l’essor des moyens de dépollution. Aujourd’hui dans de nombreux pays, les industries se doivent de respecter cette ressource. Son utilisation à des fins industrielles, par exemple, n’est alors permise que si l’entreprise qui l’utilise fait en sorte de la réintroduire dans l’environnement débarrassée des principaux polluants qui pourraient empoisonner les sols, les nappes phréatiques, les fleuves ou les océans. Pour cela des stations d’épurations, ou d’autres moyens de décontamination, ont été développés et sont actuellement utilisés. Cependant, il y a encore de nombreux progrès à faire dans ce domaine. Ce projet s’intéresse à l’étude et à l’amélioration de l’un de ses moyens de dépollutions de l’eau usée, sous la forme d’un réacteur biologique à fonctionnement anaérobie (sans oxygène) qui dégrade les polluants présents dans les eaux. Ce procédé est connu depuis longtemps mais reste encore marginal, malgré le développement quasi-exponentiel du marché. Pourtant il présente des avantages certains par rapport aux procédés aérobies utilisés généralement dans les stations d’épuration. Ainsi, ce procédé permet de fabriquer du biogaz qui peut être récupéré et valorisé pour faire de l’énergie et entre de fait dans la catégorie des installations productrices d’énergies renouvelables. Il permet en outre d’atteindre un taux d’épuration très important et rejette beaucoup moins de boues non biodégradables. Ce procédé biologique est aujourd’hui utilisé principalement par les industries agro-alimentaires telles que les laiteries, les brasseries, les producteurs de vin… L’objectif principal de ce projet consistait à améliorer la modélisation mathématique de ce type de bioréacteurs ainsi que de déterminer les profils d’alimentation optimaux qui permettent d’amener le plus rapidement possible ce processus de dégradation biologique à son rendement maximal, et de l’y stabiliser, tout en respectant des contraintes d’utilisation. L’idée est de pouvoir démarrer plus rapidement et plus efficacement les bioréacteurs et donc d’améliorer le traitement des eaux usées pendant la phase de démarrage, tout en réduisant les coûts d’exploitation. Ce stage s’est déroulé au laboratoire ELIAUS de l’Université de Perpignan en collaboration avec le Laboratoire de Biotechnologie et de l’Environnement (LBE) de l’INRA de Narbonne, ce dernier détenant un de ces réacteurs biologiques préindustriel. A partir des données de celui-ci, il a été possible d’effectuer les travaux de modélisation, d’identification, d’optimisation et de régulation. Ce document présente en premier lieu l’Université de Perpignan et plus particulièrement l’activité du laboratoire ELIAUS. Ensuite, en seconde partie sont abordés la théorie de l’optimisation à travers le principe du maximum de Pontryaguine, et les algorithmes d’optimisation numérique utilisés. La troisième partie définit les problèmes à résoudre uploads/Science et Technologie/ rapport-de-pfe.pdf