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.