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Une pile qui produit de l’électricité en dégradant la matière organique - Par : Substance,

Une pile qui produit de l’électricité en dégradant la matière organique


Résumé

La professeure Lyne Woodward, de l’École de technologie supérieure de Montréal, développe des algorithmes d’optimisation en temps réel pour extraire la quantité maximale d’électricité de sources d’énergie verte, comme les éoliennes, les panneaux solaires photovoltaïques et les piles à combustible microbiennes. Elle utilise des méthodes dites « sans modèle » (non-model based) pour pallier la complexité de la dynamique de tels systèmes, notamment la commande extrémale.

Introduction

Lyne Woodward, professeure au  Département de génie électrique de l’École de technologie supérieure (ÉTS) depuis 2010 et actuelle directrice du Groupe de recherche en électronique de puissance et commande industrielle (GREPCI) œuvre dans le domaine de la commande et de l’optimisation de procédés en temps réel.  Elle développe des algorithmes pour optimiser certains systèmes liées à la production d’énergie verte, comme les piles à combustible microbiennes (Attarsharghi et coll., 2012; Kebir et coll., 2015), les éoliennes (Guillemette et coll., 2014; Mehenna et coll. 2012) et les panneaux solaires photovoltaïques (Sadre-Bazaz et coll., 2012; Chassé et coll., 2016). L’article qui suit présente ses travaux portant sur les piles à combustible microbiennes.

La pile à combustible microbienne

Une pile à combustible microbienne ressemble à la base à une pile alcaline classique : une anode et une cathode entre lesquelles circulent des électrons, au fur et à mesure que se produit la réaction d’oxydo-réduction.  La pile à combustible microbienne, toutefois, contient aussi des microorganismes nourris par un substrat organique et qui agissent comme catalyseur à la réaction d’oxydo-réduction. En plus de produire de l’électricité, cette pile a donc l’avantage de dégrader de la matière organique (Tribot, S. 2012).

Bien que prometteuse, la pile à combustible microbienne est difficile à exploiter et à optimiser. Comme tout système biologique, sa dynamique est complexe et elle est lente à réagir. De plus, la concentration du substrat à l’entrée peut varier fréquemment, ce qui aura forcément des répercussions sur la quantité d’électricité produite. Enfin, il faut fournir une nourriture constante aux microorganismes afin de les maintenir en vie.

Une pile à combustible microbienne

Figure 1 Une pile à combustible microbienne

Méthode de la commande extrémale

L’objectif est d’amener la pile à fonctionner de façon optimale en tout temps, malgré les perturbations qui peuvent survenir. Lyne Woodward utilise des méthodes dites « sans modèle » (non-model based) pour pallier la complexité de la dynamique d’un tel système. Ce sont donc des mesures et non un modèle mathématique qui dictent au système la direction à suivre.

Un exemple de ces méthodes est la commande extrémale (extremum seeking control). La méthode consiste à perturber le système et à mesurer le gradient de puissance obtenu  (qui prend beaucoup de temps à s’établir) puis, à pousser le système de façon à ce que ce gradient revienne à zéro au moyen d’une boucle d’asservissement (feedback).  Dans un contexte où la concentration de substrat varie mais peut être mesurée, l’astuce consisterait à utiliser un réseau de neurones pour estimer au moyen de l’historique la relation entre la concentration du substrat et les conditions opératoires optimales et ainsi anticiper la zone menant à une production de puissance maximale. Le contrôleur n’aurait plus qu’à raffiner l’estimation.

Autres aspects de la recherche sur les piles à combustible microbiennes

Lyne Woodward de l'ÉTS optimise une pile à combustible microbienneLes piles à combustible microbiennes à l’étude sont pour l’instant à échelle laboratoire. Elles ne produisent donc que peu d’électricité (quelques milliwatts). La conversion de cette électricité se doit donc d’être le plus efficace possible. Les convertisseurs du commerce offrent plusieurs fonctionnalités qui, bien qu’intéressantes pour certaines applications,  entraînent des pertes qu’on ne peut se permettre pour les piles à combustible microbiennes. Les travaux du professeur Woodward touchent donc aussi à cet aspect.

La mise à l’échelle des piles à combustible microbiennes est aussi un objectif de Lyne Woodward  même s’il reste beaucoup de recherche à faire pour y parvenir. Des piles plus grosses pourraient être incorporées aux usines d’épuration d’eaux usées, réduisant la facture d’électricité.

Les piles à combustible microbiennes pourraient aussi être utilisées comme biocapteurs. La mesure de la performance électrique des piles donnerait une indication de la santé des cours d’eau en régions éloignées. Le peu d’électricité produite servirait à transmettre les données.

Information supplémentaire

Les étudiants intéressés par ces projets de recherche peuvent contacter la professeure Lyne Woodward pour obtenir plus d’information.