Produire de l’électricité en traitant les eaux usées
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La pile à combustible microbienne
La 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 a forcément des répercussions sur la quantité d’électricité produite. Enfin, il faut fournir une nourriture constante aux microorganismes afin de les maintenir en vie. C’est à cette problématique que s’attaquent les travaux de Lyne Woodward, professeure au Département de génie électrique de l’École de technologie supérieure (ÉTS) et membre du GREPCI depuis 2010.
Une pile à combustible microbienne
Méthode de la commande extrémale
Le professeur Woodward œuvre dans le domaine de la commande et de l’optimisation de procédé en temps réel. L’objectif est d’amener un système à fonctionner de façon optimale en tout temps, malgré les perturbations qui peuvent survenir. Pour la pile à combustible microbienne, elle utilise des méthodes dites « sans modèles » (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 (Attarsharghi et coll., 2012).
Autres aspects de la recherche sur les piles à combustible microbiennes
Les 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 microbienne 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 serait suffisante pour transmettre les données.
