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La chlorophylle : Cellule solaire du futur

Depuis 2010, TH Wildau, située au sud de Berlin, fonctionne comme usine pilote pour la culture des algues, dans la-quelle pour la première fois un photo-bioréacteur, un réacteur à gaz méthane et une installa-tion de production d’électricité et chaleur combinées ont été connectés dans un circuit fermé. L’objectif principal de cette unité, destinée à fournir des données à grande échelle, est de déterminer la configuration optimale des composants et le besoin mini-mum d’apport d’énergie externe. Afin de mesurer les niveaux de pH et d’oxygène, les techniciens TH Wildau ont utilisé des sondes Knick Memosens et transmet-teurs MemoRail.

Trop précieux pour brulerDans la recherche sur les biocar-burants, la science s’est intéressée aux micro-algues, et ce depuis des années. Une variété de méthodes existe pour obtenir du carburant à partir d’algues. Des procédés « catalytiques » peuvent être utilisés pour obtenir du carburant à partir de certaines algues, et des procé-dés de fermentation permettent de transformer des carbo-hy-drates d’algues en bioéthanol. Une autre approche consiste en la production de gaz méthane au travers de fermentation anaérobie de la masse d’algues. C’est la mé-thode utilisée dans l’usine pilote de Wildau. « Mais les algues sont vraiment trop précieuses pour être brulées comme carburant de nos moteurs », explique l’Ingé-nieur Roberto Lisker du Centre de Compétence pour les Energies Renouvelables, qui dirige le projet à l’Université de Technologie. «

Parce que, en principe, les algues ont le potentiel de contribuer aux solutions aux problèmes alimen-taires mondiaux. Les micro-or-ganismes peuvent nous fournir de l’amidon, des protéines de haute valeur, et des suppléments nutritionnels tels que acides gras, antioxydants et vitamines ». L’efficacité énergétique des algues, en fait le taux de conver-sion photosynthèse par unité de surface cultivée, est supérieur à celui de toute autre matière re-nouvelable, et leur productivité en amidon, huiles et acides gras est même sept fois supérieure à celle du maïs. Selon Mr Lisker, la surface actuellement utilisée par l’agricul-ture pourrait être réduite par neuf ou dix si la population mondiale décidait de produire cette nourri-ture à partir de réacteur à algues. De plus – et en fonction du type

d’algues – un nombre important d’autres types de matériaux pour-rait être produit. Mais toutes ces considérations sont secondaires

à Wildau, l’objectif principale est de tester et améliorer le cycle du processus technologique : Ce qui inclus l’augmentation de l’effica-

Roberto Lisker du Centre de Compétence pour les Energies Renouvelables devant l’unité de production de gaz méthane.

Photo-bioréacteur à la TH Wildau

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avons rapidement découvert qu’une petite quantité de nitrate et de phosphates ajoutée comme fertilisant n’avait pas d’effet sur l’équilibre chimique. »

Memosens pour contrôler oxygène dissous et pHLes teneurs en pH et oxygène de l’eau sont très importantes. Les algues nécessitent un environne-ment acide, mais la quantité de CO2 doit être réduite en cas de sur-acidification. Les ingénieurs utilisent des sondes Memosens du fabriquant Berlinois Knick pour mesurer les valeurs d’oxy-gène dissous et de pH. « C’est très pratique pour nous, les sondes numériques peuvent être pré-calibrées en laboratoire nous évitant ainsi de les calibrer sur site dans un environnement confiné. », explique Mr Lisker. Les valeurs mesurées par les sonde sont

également transmises en salle de contrôle à l’aide de produits Knick : dans une armoire placée près des points de mesure, un ensemble de transmetteurs MemoRail reçoit l’information en provenance des sondes.

L’utilisation des ces instruments montés sur rail DIN, chaque instru-ment ayant une épaisseur de 12.5 mm, permet un gain de temps et d’espace et fournit les fonc-tions nécessaires et essentielles, dans la mesure où des sondes pré-calibrées sont utilisées et que l’affichage des valeurs mesurées est disponible dans la salle de contrôle, un affichage des valeurs sur place étant inutile. Les valeurs mesurées ainsi que la température sont transmises via deux sorties analogiques 4-20 mA directement connectables à tout type d’auto-mate ou d’analyseur. A Wildau, les modules MemoRail transmettent les valeurs analogiques à un enregistreur dans l’armoire de contrôle, qui à son tour trans-met ces valeurs aux ordinateurs dans la salle de contrôle via une liaison TCP/IP. « L’élément clé pour nous réside dans le fait que nous pouvons monter les modules sur rail DIN dans l’armoire – une possibilité offerte uniquement par MemoRail », résume Mr Lisker. En complément, le centre de compé-tence va prochainement acquérir un analyseur portable de la série Portavo. Ces instruments de la société Knick sont actuellement les seuls analyseurs portables

avec technologie Memosens qui peuvent mesurer le pH, la conduc-tivité ou l’oxygène dissous. Dans le cas d’un problème survenant dans la boucle de transfert de l’information, Portavo permet une lecture et une mémorisation des valeurs transmises par les sondes. Cet instrument portable recon-nait automatiquement le type de sondes permet la mémorisation de la valeur mesurée en pressant simplement une touche de son clavier. Ensuite toutes les valeurs mesurées peuvent être chargées sur les ordinateurs de la salle de contrôle via une liaison USB.

Traitement des alguesLe temps des récoltes survient après dix jours de croissance. Dans la mesure où le très faible diamètre des algues ne permet pas leur filtration, celles-ci sont séparées de l’eau à l’aide d’une centrifugeuse haute pression (650 bar), afin d’extraire la matière utile. Les conditions de culture dans le réacteur déterminent le pourcen-tage de substance utile produite par les algues. Par exemple, une faible concentration de nitrate dans l’eau génère une production d’acide gras. Mais si l’intensité de la lumière augmente, les algues

cité énergétique, en testant les matériaux appropriés et bien sûr en augmentant le rendement des algues..

Sous les projecteurs : Scenedesmus Rubescens« La culture et la recherche sur les algues sont déjà réalisées dans de nombreux lieux aujourd’hui. Les différentes étapes du processus sont connues, les composants nécessaires à la culture sont déjà disponibles. », Mr Lisker explique. « La nouveauté de ce projet ici à Wildau, réside dans le fait que nous avons pour la première fois connecté toutes les étapes élé-mentaires en un seul cycle et re-cherchons comment l’efficacité de l’ensemble du processus peut être optimisée. » Le challenge n’est pas celui des biologistes mais surtout celui des ingénieurs, même si, ici tout tourne autour de l’élément biologique, l’algue verte unicellu-laire « Scenedesmus Rubescens », qui avec un diamètre d’à peine 10 µm a la taille d’un centième de l’épaisseur d’un cheveu humain. Pourquoi cette particulière sorte d’algue? « Nous estimons à environ 340 000 le nombre d’espèces de micro algues, et 150 000 le nombre d’espèces connues. Une petite centaine de celles-ci sont cultivables. », Mr Lisker souligne le niveau actuel de nos connaissances « Scenedesmus Rubescens a été choisie en raison de sa nature stable. Et plus nous travaillons avec cette algue, plus nous l’aimons. » Cette micro algue est relativement peu exigeante et robuste, pousse rapidement, produit une grande quantité d’huile et d’acide gras, elle pos-sède également un métabolisme photographique et hétérotrophe – de sorte qu’elle peut obtenir son énergie à partir de la lumière et de sels. La seule autre chose que cette algue nécessite pour vivre est du CO2. A Wildau, elle reçoit

cette énergie à partir de l’unité co-génération composé d’un moteur à simple cylindre à piston libre Stirling, qui fournit également l’énergie à l’ensemble des étapes du processus.

Le cycleUne quantité précise d’algues qui ont été préalablement élevées par un laboratoire extérieur est utili-sée au démarrage du bioréacteur. Trois mois sont nécessaires pour obtenir cette quantité d’algues. Les algues sont ensuite placées dans le photo-bioréacteur, qui consiste à Wildau en un sys-tème de tuyauterie perméable à la lumière d’un volume de 250 litres. Entre les tuyaux, des tubes de lumière fluorescente à basse consommation, émettent à une longueur d’onde précise la lumière nécessaire à la photo-synthèse. L’électricité utile aux luminaires et le CO2 pour les algues sont produits par l’unité de cogénération. Cependant, les gaz riches en CO2 émis par l’unité de cogénération ne peuvent être directement injectés dans les tubes du bioréacteur, ils sont en effet trop chauds environ 90°C et

contiennent de l’acide sulfurique qui doit être filtré au préalable. En conséquence, ces gaz sont filtrés au travers de containeurs remplis avec de la zéolite – minéraux cristallins similaires à la céramique – pour les filtrer, les refroidir mais aussi les sécher. Ils sont alors injectés dans les tubes du réacteur remplis d’eau et d’algues. En plus de leur fonction d’alimentation en CO2, ils ont aussi pour fonction de garder l’eau en mouvement: le mouvement perpétuel de l’eau prévient de la constitution du dépôt de couches d’algues sur les parois du tube qui pourraient ainsi les rendre opaques. Pour chaque culture dans le réacteur d’une nouvelle génération d’algues – qui demande dix jours avant récolte – l’équilibre chimique en eau salée doit être contrôlé et ajusté en permanence. « Initiale-ment nous gérions également la conductivité de l’eau, mais nous

La nurserie : « Les algues ont été cultivées sur une période d’approximativement 3 mois avant d’être placées dans le bioréacteur. La couleur orange de la bouteille du milieu indique que ces algues contiennent une grande quantité de carotène. »

Points de mesures Memosens pour mesure du pH, de l’oxygène dissous et de la conductivité

Une vue de l’armoire de contrôle montrant trois transmetteurs MemoRail pour le pH, l’oxygène dissous et la conductivité.

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réagissent en augmentant la production de carotène. Après que toute la matière utile ait été extraite de l’émulsion d’algues, la biomasse est récoltée et utilisée pour produire du gaz méthane. Le gaz méthane, à son tour, alimente la cogénération. Le cycle est terminé.

Conclusions« Contrairement à notre système de recherche pilote qui utilise de la lumière artificielle, pour être rentable un photo-bioréacteur doit être installé en extérieur et de ce fait agit comme un capteur de lumière solaire. En final, l’exploita-tion d’un tel système requiert une installation beaucoup plus grande que la notre » explique Mr Lisker. L’usine pilote à Wildau produit les résultats suivants : La culture de 250 litres de mélange « eau / al-gues » représente environ 2 litres de boue d’algues, à partir de la-quelle entre 100 et 200 grammes de nutriments haute qualité peuvent être récoltés. La quantité de gaz méthane produit à partir de la biomasse est suffisante pour faire fonctionner la cogénération pendant dix minutes. Un tiers de l’énergie total utilisée par le sys-tème est nécessaire à la récolte et au fonctionnement de la centrifu-geuse et de l’homogénéisateur.

Ensuite ?Il faut considérer que nous exploitons notre usine de production chaleur et électricité principalement pour produire des gaz d’échappement - à des fins de recherche - et non pas pour produire de l’électricité ou de la chaleur », explique Mr Lisker. « Cela parce que nous étions principalement intéressés par un cycle de CO2 fermé ». L’efficacité énergétique jouera un rôle central dans l’étape suivante. Ensuite, l’excès de chaleur produite lors du refroidissement des gaz d’échap-pement sera utilisé dans un générateur secondaire basé sur un

cycle organique de type Rankine. Des recherches plus poussées en cours au centre de compétences se portent sur l’efficacité énergé-tique des différentes lampes LED. Des études sont également en court sur la structure du maté-riau et de la surface des tubes de bioréacteurs. Bientôt, le centre de compétence pourra utiliser des tubes avec une structure de surface spéciale pour un des bioréacteurs. Ces nouveaux tubes devraient réduire l’adhérence des algues.

Memosens, MemoRail et Portavo

Les sondes Memosens disposent d’une transmission inductive sans fil pour les données et leur alimentation en énergie. Etant donné que ces sondes intelli-gentes sont capables de stocker en leur tête les données qui leurs sont spécifiques, elles peuvent être pré- calibrées facilement dans des conditions idéales en laboratoire. Les sondes déjà pré- calibrées ont une durée de vie plus longue que les produits conventionnels et réduisent la probabilité d’indisponibilité. Ces sondes se distinguent également par la présence de connecteurs à baïonnette, qui permettent une connexion et une décon-nexion aisée et une transmission des données mesurées entre la sonde et le transmetteur. Avec une technologie de sondes conventionnelle des facteurs

tels que l’humidité, la corrosion, les dépôts sur les connecteurs peuvent fausser la mesure. Contrairement à la technolo-gie inductive du système de couplage de Memosens qui garantie une isolation galva-nique parfaite, une transmission sans contact, et une manipula-tion sans problèmes des sondes même dans des conditions difficiles. – le système peut être connecté sous l’eau. La gamme des transmetteurs Memorail permet la mesure du pH, de la conductivité et de l’oxygène dissous à l’aide de sondes pré-ca-librées ce qui élimine le besoin d’une visualisation des mesures sur site. Les analyseurs, d’une épaisseur de 12,5mm supportent tout type de sondes Memosens, pH, IFSET, Conductivité, Oxygène dissous ou sondes toroïdales

digitales.– ils sont facilement configurables via une série de switchs. Les valeurs mesurées ainsi que la température sont transmises via deux sorties 4-20mA qui sont connectables à tout type de PLC’s. Memorail est disponible en deux versions : une version 24V DC directement connectable via un bus d’alimen-tation sur rail DIN, et en version VariPower de 90 à 230 VAC/DC. En complément de Memorail, Knick propose également une famille complète de composants Memosens. Cette famille com-prend MemoSuite, un logiciel pour la calibration, la main-tenance et la documentation des sondes Memosens, et les analyseurs portable Portavo pour la maintenance et le diagnos-tique sur site. Avec les nouveaux Modèles 902, 904(X) and 907,

Knick présente la première gamme d’analyseurs portables sur le marché pour la mesure du pH, de la conductivité et de l’oxygène dissous avec techno-logie Memosens. En fonction du modèle des sondes analo-giques ou des sondes oxygène optique peuvent également être utilisées en complément des sondes numériques Memosens. Tous les boitiers Portavo sont fabriqués avec un plastique de grande résistance et conçus pour une utilisation industrielle notamment grâce à un niveau de protection IP66. Un couvercle de protection protège l’écran contre les rayures et les chocs et peut transformer Portavo en appareil de paillasse pour laboratoire. Le boitier comprend également un carquois qui protège l’électrode contre le dessèchement.

L’aptitude de LED’s comme source d’énergie lumineuse pour les algues est testé sur ce réacteur

Connecteurs Memosens Transmetteur Memorail par KnickLa série Portavo par Knick: le premier analyseur portable pour sondes Memosens.

KnickElektronische Messgeräte GmbH & Co. KG

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