Opération périodique d'une pile à combustible microbienne par connexion intermittente à une résistance électrique

Parmi les défis du XXIe siècle, la production d'énergie renouvelable et l'accès à l'eau potable représentent deux problématiques particulièrement pressantes, causées par la croissance de la population mondiale et l'élévation du niveau de vie moyen. Une technologie récemment découverte, la pile à combustible microbienne (PCM), est susceptible d'apporter des contributions majeures faces à ces problématiques. La PCM est un système qui génère de l'électricité à partir du traitement biologique des déchets organiques présents dans les eaux usées. Le principe fondamental repose sur une activité bactérienne: Au sein du réacteur, des microorganismes appelés électricigènes assurent la dégradation des matières organiques dissoutes dans les eaux usées et évacuent des électrons de par leur métabolisme. Ces électrons peuvent être dirigés à travers un circuit, ce qui permet leur utilisation pour une application électrique. Bien que le système ait démontré ses preuves quant à sa stabilité et sa performance en traitement des eaux, plusieurs obstacles préviennent son implantation industrielle. Entre autres, la récolte de l'énergie n'est pas optimisée, surtout dans un contexte où la qualité des eaux alimentées est encline à des perturbations fréquentes et aléatoires. Typiquement, une résistance électrique fixe est connectée au circuit, alors qu'il est connu que la résistance interne du système varie grandement par rapport à la concentration en matières organiques dans les eaux alimentées. Or, la théorie de la puissance maximum dicte que les résistances internes et externes d'un circuit doivent correspondre afin d'optimiser la puissance. Une perte d'efficacité due à ces perturbations semble donc inévitable. De plus, le système est caractérisé par des mécanismes aux dynamiques complexes, encore très peu connues. Par conséquent, la PCM n'est pas modélisée adéquatement et il est difficile de prévoir son comportement face à certaines perturbations ou modes d'opération. Des efforts de modélisation sont donc requis afin de dépister l'évolution des propriétés électriques internes du système telles que la résistance et la capacitance, et d'assurer une récolte d'énergie optimale. Une solution suggérée est d'opérer la PCM selon un mode d'opération périodique, i.e., de connecter et de déconnecter par intermittence la résistance électrique externe du système. Une telle stratégie est notamment utilisée dans l'optimisation de certains moteurs électriques. Une série d'expériences en laboratoire ont été menées sur une PCM alimentée en acétate. Tout d'abord, les opérations périodiques ont été caractérisées par différents paramètres et certaines étendues d'opération ont été identifiées. Le rapport cyclique (RC), défini comme étant la fraction entre le temps où le système se trouve dans un état de circuit fermé à l'intérieur d'un cycle, a été utilisé afin de démontrer la présence d'un optimum de la génération de puissance. Ensuite, une stratégie de contrôle basée sur des bornes de tensions électriques a été étudiée et comparée aux alternatives connues. Pour répondre aux objectifs de modélisation et d'identification, un modèle de circuit électrique comprenant une résistance interne et une capacitance a été proposé. Ce modèle a été utilisé afin d'identifier certaines propriétés électriques de la PCM, puis a été intégré à un modèle tenant compte des activités des populations bactériennes. Les expériences ont démontré que les opérations périodiques sont optimales pour la production d'énergie lorsque le RC est près de 0,9 et les cycles sont de l'ordre de la seconde. Il est envisageable que l'optimum réel se trouve pour des cycles plus courts, mais l'équipement n'a pas permis d'explorer cette étendue. Un point d'opération obtenu avec un cycle de 7 secondes, un RC de 0,9 une résistance externe de 20 Ω, a résulté en une puissance de 2,84 ± 0,02 mW. Cette expérience se compare favorablement à une opération continue, qui produit alors 2,90 ± 0,28 mW. On remarque également que la puissance est généralement supérieure lorsque la résistance externe est inférieure à la résistance interne de la PCM. Le contrôle par bornes de tension, quant à lui s'est avéré comparable aux stratégies actuelles d'optimisation du système. L'identification du système à l'aide d'un modèle de circuit équivalent a été un succès, spécialement lorsque le système est soumis à des excitations variées. Les paramètres estimés et mesurés se sont révélés être du même ordre de grandeur. Afin d'optimiser davantage la génération de puissance et d'approfondir les connaissances du système, il est nécessaire d'explorer de nouvelles étendues d'opérations périodiques, avec des cycles plus courts. Également, le développement d'une stratégie d'identification en ligne des propriétés électriques internes du systèmes devrait permettre la conception d'un algorithme de contrôle basé sur l'ajustement du RC. Finalement, des simulations approfondies du modèle hybride permettront une meilleure compréhension de l'impact des opérations périodiques sur les mécanismes internes de la PCM.

Abstract

Amongst the XXIst century challenges, the renewable energy production and the drinkable water access represent two pressing problematics because of the world population growth and the average standard of living improvements. A recent technology, the Microbial Fuel Cell (MFC), may potentially bring major contributions, answering both problematics. The MFC is a system that generates electricity from the biological treatment of organic matter in wastewater. Its fundamental principle is based on bacterial activity: in the reactor, microorganisms named electricigens degrade organic matter dissolved in the wastewater, thus liberating electrons as part of their metabolism. These electrons can be directed through a circuit, enabling their use as an electrical energy source. Even though the system has proven to be stable and efficient in wastewater treatment, several obstacles prevent its industrial implementation. Amongst them is the lack of energy harvesting optimisation, especially given an environment where the quality of the wastewater is subject to frequent and random perturbations. Typically, a fixed external resistance is connected to the circuit, although the internal resistance is known to vary greatly depending on the organic matter concentration in the influent. Yet, the maximum power transfer theorem dictates that both internal and external impedances of a circuit must match in order to optimise the electrical power production. A loss in efficiency caused by the influent perturbation is thus inevitable. Also, the system is characterised by mechanisms of complex dynamics, some of which are yet to be studied. Thus the MFC is not adequately modeled and it is difficult to predict its behaviour when subjected to certain perturbations or modes of operation. Modeling efforts are thus required in order to track the evolution of internal electrical properties such as resistance and capacitance, and to assure an optimal energy harvesting. A possible solution is to operate the MFC under periodic operations, i.e., to intermittently connect and disconnect the external resistance to the system. A similar strategy is often used to optimise electrical motors. A series of laboratory experiments was conducted on an acetate-fed MFC. First, the periodic operations were characterised based on specific parameters, and different operating regions were identified. The Duty Cycle (DC), defined as the fraction of the time the system is in a closed circuit state within a cycle, was used in order to demonstrate the presence of an optimum in power generation. After, a control strategy based on voltage limits was studied and compared to current alternatives. In order to answer to the identification and modeling objectives, an equivalent circuit containing a resistance and a capacitance was suggested. This model was used to identify the electrical properties of the MFC, and was subsequently integrated to a model taking account for the bacterial population activities. Experiments have shown that periodic operation is optimal for power generation when the DC is close to 0.9 and the cycles are of the order of a the second. It is expected that the real optimum could be found at smaller cycles, but exploring this range was not possible due the equipment's precision. An observed operating point with a cycle time of 7 seconds, a DC of 0.9 and an external resistance of 20 $\Omega$ resulted in a power production of 2.84 ± 0.02 mW, a comparable performance to that of a continuously operated MFC giving 2.90 ± 0.28 mW. It was also observed that the power generation was usually greater when the external resistance was inferior to the system's internal resistance during periodic operations. On the other hand, the voltage limits based control was proven to offer a performance comparable to the actual alternatives, when subjected to perturbations in influent concentration. The identification of the system electrical properties through the use of an equivalent circuit was successful, especially when the MFC was subjected to varied excitations. The estimated and measured parameters were of the same order of magnitude. In order to further optimise the power production and to deepen the knowledge of the system, it is necessary to explore new ranges of periodic operations, with shorter cycle times. Also, developing an on-line identification strategy of the system's electrical properties should constitute the basis of a control algorithm adjusting the DC. Finally, simulations of the hybrid model should be performed to gain better insight about the impact of periodic operations on internal mechanisms of the MFC.