Transcript Biopile - Ampère

Ecole Centrale de Lyon - INSA de Lyon – Université Claude Bernard Lyon 1
Laboratoire Ampère
Unité Mixte de Recherche du CNRS - UMR 5005
Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie environnementale
et Applications
Conception et mise en œuvre d’un prototype optimisé de PACM
pour la conversion d’énergie à partir des eaux usées
Laboratoire :
Ampère, UMR CNRS 5005
Domaine scientifique principal :
Energie, Modélisation, Bio-ingéniérie
Domaine scientifique secondaire :
énergie renouvelable
Mots clés (5 max) :
Pile à combustible microbienne, eaux usées, Microbiologie, électrochimie,
Électronique de puissance, Ingénierie environnementale
Directeurs de thèse et comité d’encadrement
Directeur de thèse
Vogel Timothy – [email protected]
Comité d’encadrement
Haddour Naoufel – [email protected]
Ondel Olivier – [email protected]
Départements concernés : - Bioingénierie
- Energie Electrique
Groupes concernés : - Génomique microbienne
environnementale
- Bioélectromagnétisme et microsystèmes
- Electronique de puissance et intégration
Collaboration(s)/partenariat(s) extérieurs
Contexte Scientifique (5 lignes max)
Un des enjeux de la mise au point des Piles à combustible microbiennes (PACM) pour la
conversion énergétique consiste à réduire les pertes électriques au sein du procédé,
notamment les surtensions d’électrode et les pertes ohmiques [1-3]. Ces pertes énergétiques
augmentent avec les dimensions des biopiles et c’est probablement pour cette raison que peu
de prototypes de PACM de grandes dimensions sont décrits dans la littérature.
Objectif de la thèse, verrous scientifiques et contribution originale attendue (1 page max)
L’objectif de cette thèse est de concevoir et de mettre en œuvre un prototype optimisé de
PACM pour une application de conversion d’énergie à partir des eaux usées d’une station
d’épuration. La structure du prototype et sa configuration reposeront sur un travail de
modélisation multiphysique et d’expérimentation afin de résoudre les problèmes de la mise à
l’échelle des PACM. Ce travail sera basé sur l’optimisation de la géométrie des PACM et des
conditions opératoires pour un fonctionnement en flux continu favorisant l’enrichissement
des biofilms en bactéries électroactives tout en permettant une répartition uniforme des
charges et une distribution homogènes de la matière au sein de la biopile. L’étude de la mise
en série et/ou en parallèle de plusieurs unités PACM sera également entreprise pour répondre
à des besoins de traitement variables en termes de flux, de concentration d’effluent et de
production d’énergie. Ce prototype sera installé et testé dans la plate-forme de recherche et
d’expérimentation de l’Irstea qui est implantée sur le site de la station d'épuration de la
Feyssine. Une collaboration entre le département Bioingénierie du laboratoire Ampère et
cette plateforme de recherche existe déjà dans le cadre d’un projet d’étude sur la thématique
des PACM.
Ecole Centrale de Lyon - INSA de Lyon – Université Claude Bernard Lyon 1
Laboratoire Ampère
Unité Mixte de Recherche du CNRS - UMR 5005
Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie environnementale
et Applications
Programme de recherche et démarche scientifique proposée (1/2 page max)
Ce travail de thèse s’inscrit dans un projet pluridisciplinaire et ambitieux qui recouvre de
nombreux aspects (microbiologie, physicochimie, bioingénierie, électronique de
puissance…) et implique une collaboration étroite entre les différentes compétences du
département Bioingénierie et celles du département Energie Electrique (EE) du laboratoire
Ampère. Ainsi, cette étude comportera plusieurs phases :
- Conception et réalisation d’une géométrie optimisée d’une unité PACM : Ce travail
consistera à définir la géométrie de la biopile et la structure des électrodes qui
permettent d’augmenter les surfaces réactionnelles et de réduire les résistances aux
transports de matières au niveau des électrodes. Cette optimisation sera réalisée par
de la modélisation multiphysique et validée par l’expérimentation.
- Définition des conditions opératoire pour l’élaboration du biofilm : Afin d’enrichir le
biofilm des bioanodes en bactéries électroactives, différentes conditions de travail
(force de flux d’effluents, tension appliquée, valeur optimale de résistance de charge,
emploi d’additifs…) seront testées durant la formation et la croissance du biofilm.
Une caractérisation microbiologique et électrochimique des biofilms obtenus seront
également réalisées.
- Etudier l’assemblage en série et/ou en parallèle d’un grand nombre de PACM afin
d’agréger de manière efficiente l’énergie en tenant compte des besoins variables en
termes de puissance et/ou des concentrations en déchets organiques. L’objectif de
cette étape est de maîtriser la récupération d’énergie en vue de la mise en réseau.
- En se basant sur les résultats obtenus, concevoir et réaliser un prototype de taille
significative et étudier ses performances de conversion d’énergie à partir des eaux
usées sur le site de la station d'épuration de la Feyssine. Il s’agira également de situer
ses performances au regard de la théorie et de la littérature.
Le candidat devra avoir une formation de type
ingénieur ou de master avec des compétences en génie de l’environnement ou en génie des
procédés. Des connaissances en microbiologie et en électronique seraient appréciées.
Profil du candidat recherché (prérequis):
Compétences développées au cours de la thèse et perspective professionnelle (5 lignes max)
Au cours de cette thèse, le doctorant développera des compétences en microbiologie, en
modélisation multiphysique, en électrochimie, en électronique et en traitement des eaux
usées. Ces compétences pluridisciplinaires sont demandées dans le secteur de la recherche
public et privé dans le domaine des énergies renouvelables et du traitement des eaux
Bibliographie sur le sujet de thèse
[1] Liu, H., Ramnarayanan R. and Logan, B. E. (2004) Production of electricity during wastewater treatment
using a single chamber microbial fuel cell. Environ. Sci. Technol. vol. 38 (7): pp.2281-2285.
[2] Logan, B. E. (2012) Essential Data and Techniques for Conducting Microbial Fuel Cell and other Types
of Bioelectrochemical System Experiments. ChemSusChem 5: pp.988 – 994.
[3] Zhou M., Wang H., Hassett D.J. and Guc T. (2013) Recent advances in microbial fuel cells (MFCs) and
microbial electrolysis cells (MECs) for wastewater treatment, bioenergy and bioproducts. J Chem
Technol Biotechnol. 88: pp.508–518