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Accueil > Thèses et HDR > Thèses en 2017

17/11/2017 - Agathe PAITIER

par Laurent Krähenbühl - publié le , mis à jour le

Agathe PAITIER soutient sa thèse le 17/11/2017 - 09h30 - amphi 203 - Ecole Centrale de Lyon

Titre :
Etude de la mise à l’échelle des Piles à Combustible Microbiennes : collecteurs de courant et hydrodynamique

Jury :
Giuliano Premier (University of South Wales) et Théodore Bouchez (IRSTEA ) : rapporteurs
Wafa Achouak (CEA Cadarache) et Pascal Simonet (Ampère) : Examinatrice et examinateur
Hervé Morel et Timothy M. Vogel (Ampère) : Directeurs de thèse

Résumé :
Répondre aux besoins énergétiques croissants de nos sociétés et limiter leur impact sur l’environnement est aujourd’hui un enjeu actuel majeur. Le développement d’énergies renouvelables est nécessaire et de nouvelles technologies alternatives comptent tirer profit de sources d’énergie négligées. Les stations d’épuration représentent un contexte de choix pour le développement et l’optimisation de procédés innovants de production d’énergie. En effet, le potentiel énergétique des eaux usées peut être judicieusement exploité par de nouvelles technologies telles que les piles à combustible microbiennes (PACM). Ces piles, pouvant produire de l’énergie électrique à partir d’eaux usées, montrent un rendement énergétique intéressant à petite échelle. Toutefois, leur efficacité diminue de manière drastique lorsque leur taille augmente, ce qui ne permet pas encore leur application industrielle. Ces travaux de thèse visent à identifier certains verrous de ce changement d’échelle et à proposer de nouvelles directions pour leur optimisation.
Une première partie de l’étude s’est intéressée à l’influence des collecteurs de courant anodiques sur les performances électriques et sur le développement du biofilm électro-actif. En effet, les collecteurs de courant, reliant l’anode au circuit externe, sont très peu étudiés dans les PACM. Nous avons émis l’hypothèse qu’à grande échelle, les collecteurs de courant peuvent être un élément limitant à la production d’électricité. Pour vérifier cette hypothèse, quatre PACM avec une anode de 490 cm² connectée de différentes manières ont été étudiées. L’augmentation du nombre de collecteurs a permis une hausse de la puissance produite par les PACM. La disposition des collecteurs affecte la répartition du potentiel sur la surface d’anode et peut engendrer dans certains cas, des gradients de potentiel qui influencent la structure microbiologique du biofilm. Cette dépendance au potentiel concerne en particulier Geobacter, dont le clade G. metallireducens est favorisé aux potentiels plus négatifs. Par ailleurs, des mesures d’impédance ont montré que multiplier les collecteurs augmente la capacité de double couche de l’anode et engendre un courant capacitif dont l’importance pour les performances de fonctionnement en cycles de charge/décharge est non négligeable.
La suite du travail s’est attachée à considérer les PACM comme des bioréacteurs et à prendre en compte différents aspects physiques, notamment l’aspect hydrodynamique, afin de modéliser leur fonctionnement. Pour cela, trois PACM de volumes différents ont été mises en œuvre et testées à différents débits. Les données de configuration, d’opération et de performances de ces piles ont permis de construire deux modèles statistiques de régression linéaire multiple prédisant la valeur de puissance maximale : le premier par sélection de variables (LASSO) et le second basé sur des nombres adimensionnels construits grâce au théorème de Vaschy-Buckingham. Ces deux modèles ont montré que la puissance maximale produite était principalement corrélée à la vitesse de l’électrolyte circulant dans la pile et à la contrainte de cisaillement appliquée à l’anode par le mouvement du fluide.
Ces deux parties ont également montré que l’abondance dans le biofilm de Geobacter, une bactérie électro-active très répandue dans les PACM, n’était pas corrélée avec la puissance maximale. Tout en étant très abondante, son seul nombre n’explique donc pas entièrement les performances électriques d’une PACM.
De ce travail, il a été mis en évidence que la connexion électrique des anodes était d’une grande importance et que la conception d’une PACM conditionnait en partie le choix du débit de fonctionnement. Ces travaux ont également contribué à montrer pour le développement à grande échelle des PACM l’intérêt d’associer recherche fondamentale sur les biofilms électro-actifs, génie des procédés et modélisation, afin de généraliser des résultats empiriques et les expliquer.

Mots-clés

Pile à combustible microbienne ; Mise à l’échelle ; Collecteurs de courant ; Hydrodynamique .


Publications

https://hal.archives-ouvertes.fr/AMPERE/search/index/q/%2A/authFullName_s/Agathe+Paitier/