Biomasse Energie Environnement Technologie Optimisation des méthaniseurs MeMo - Solutions intégrées de supervision, télésurveillance et planification Laurent Lardon 1er Oct. 2014 Présentation de BioEnTech Notre innovation Notre métier Stabiliser et optimiser le fonctionnement des procédés Systèmes d’Information, Expertise, Analyse et Modélisation des bio-procédés. Notre offre - MeMo, une gamme de solutions de supervision et de télé-surveillance des procédés, Une activité de bureau d’étude d’aide à la conception et à l’analyse des unités de méthanisation. Nos partenaires Jérémie Miroux PDG, 12 ans d’expérience en ingénierie sur les procédés agroindustriels et les biotechnologies. Laurent Lardon Directeur Technique et Scientifique, Ancien chercheur INRA-LBE, 12 ans d’expérience en méthanisation. Cyrille Charnier Ingénieur Chimie Verte Doctorant CIFRE Francesco Novellis Ingénieur Dvpt Informatique Méthanisation & supervision Variations entrées Suivi insuffisant ou trop lent. Surcharges Toxicité Agro-industrie Déchets / coproduits IAA Station d’Epuration Procédés surdimensionnés Energie Stabilité Co-génération Injection gaz de ville Carburant Maîtrise Agriculture Rentabilité Boues urbaines Unité Collective / agri Déchets agricoles Epandage digestats Engrais sec Déchets ménagers Cultures énergétiques Capteurs et Suivi Analytique Estimation paramètres clé Aide à la décision Pilotage temps réel Télésurveillance Performances Planification Pourquoi superviser un méthaniseur ? Procédé biologique Interactions entre de nombreuses populations microbiennes Fragile équilibre pour éviter l’accumulation d’inhibiteurs et maintenir le point de fonctionnement optimal Sensible à des inhibiteurs Ammoniac, Sel, Acides gras à longues chaînes Réaction(s) lentes Détecter des tendances avant que les perturbations ne deviennent des déstabilisations. Définition d’une méthode de suivi adaptée Comment prendre le pouls du procédé ? Comment détecter et analyse les perturbations ? Comment équilibrer et optimiser le procédé ? Comment anticiper le comportement des substrats ? Pourquoi superviser un méthaniseur ? Optimiser le démarrage Phase critique Inoculer, Adapter et Maintenir la biomasse active dans le méthaniseur Accélérer le démarrage Par un suivi minutieux, on peut placer le méthaniseur sur une trajectoire de démarrage plus rapide, tout en évitant de le déstabiliser. Performances à long terme Le démarrage est aussi une phase de sélection des populations microbiennes. Le type de démarrage affecte donc les performances en régime de croisière. Supervision des bioprocédés Adapter les techniques de l’automatique industrielle aux procédés biologiques Supervision des procédés Collecter Centraliser, Valider Archiver Afficher Suivi dynamique Maintenance Substrats Opérateur Capteurs Prescriptions / Commandes Calculer Estimation, Diagnostic Modéliser Comprendre Prévoir Agir Alarmes Aide à la décision Contrôle Système d’information pour le méthaniseur Unité Méthanisation Interface client Opérateurs Capteurs logiciels Capteurs Procédé Substrats Laboratoire Stabilité Maîtrise Diagnostic Extranet Conseil Archivage Contrôle Expertise Supervision locale Modélisation Télé-supervision Rentabilité Performances Méthanisation & supervision Système d’information MeMo Serveurs web Collecter et archiver: Localement, un serveur se connecte aux capteurs. Afficher: le serveur web local interagit avec l’opérateur Partager: Synchronisation permanente avec le serveur distant. Opérateur local Capteurs Actionneurs Cartes E/S Serveur local SCADA Serveur distant Interface de supervision Copyright BioEnTech Interface de supervision Dynamique des variables Sur des procédés lents, la dynamique est souvent plus importante que la valeur Surimpression des commentaires Zoom sur plage de valeurs Commentaires L’opérateur observe et connaît son procédé. Collecter et structurer l’information qualitative. Interface de supervision Commentaires L’opérateur observe et connaît son procédé. Collecter et structurer l’information qualitative. Outil de traçabilité de l’installation Maintenance préventive (calcul de la fréquence de pannes) Suivi des unité de méthanisation Cahier de bord électronique Site web personnel Archiver les données collectées, les rapports de fonctionnement, les analyses des substrats Calcul des bilans de fonctionnement Bilans massique et énergétique flux de substrats, de digestats, production de biogaz, électricité, chaleur Bilan économique et humain achat/collecte des substrats, rentabilité des substrats, amortissement, vente, temps de travail. Bilan environnemental Gaz à Effet de Serre évité, engrais minéral évité, … Traiter la donnée Intérêt de la modélisation Fournit une description mathématique du procédé. Un modèle est basé sur un ensemble d’hypothèses de fonctionnement. Un modèle validé, c’est: - Le signe de la bonne compréhension du passé - La possibilité de prédire le futur - Une meilleure information pour maintenant. Quels modèles pour mon procédé ? ADM-1 : standard de l’IWA, bonne représentation mécaniste d’un procédé Nombreux paramètres à identifier. AM-2 : Modèle à deux biomasses (INRA-INRIA) Une plus grande simplicité pour mieux décrire et agir Collecter l’information Validation de l’information Les conditions de vie d’un capteur sur un méthaniseur sont difficiles: Dérives, Encrassements. Diagnostic des capteurs Analyse du signal: changement du niveau de ‘’bruit’’, tendances, décrochages… Interprétation: un changement de comportement de la mesure vient-il d’une perturbation du procédé ou de l’instrument ? Précision: connaître et suivre la précision de l’information. Diagnostic des mesures labo Vérifier des relations de cohérence entre toutes les mesures: Redondance ou corrélation physico-chimique Cohérence du processus: variation du bilan DCO Valider l’information pH 1 r5 r7 Zin - Redondance physique - Corrélation directe - Bilans de DCO - Corrélation modèle DCOin 120 240 360 480 120 240 360 480 120 240 360 480 120 240 360 480 120 240 360 480 1 r11 0 1 Spectro r1, r2 r8 0 Gaz Titri 480 COT r10 pH mètre 360 Spectro Chaîne gaz r6 240 r4 r9 COT mètre 0 1 Pt Pression 120 0 1 Alim r3 0 1 0 Conflit KO OK Doute Calculer : reconstruire de l’information Estimer des paramètres clés Capteurs logiciels Estimer avec un modèle et quelques capteurs bon marché ce qu’on mesure en laboratoire ou avec des capteurs chers. Détection précoce des dysfonctionnements, simplification du suivi analytique. Exemples: - Estimateur de l’alcalinité totale - Estimation des AGV et Bicarbonate - Observateur de la biomasse méthanogène active Calculer: diagnostiquer le procédé Diagnostiquer l’état du procédé Détecter et identifier les problèmes biologiques Approche basée sur l‘historique et l’expérience. Fouille de données: quels sont les différents états que mon procédé a connu ? Approche heuristique: quels sont les états que je n’ai jamais rencontrés mais que je peux décrire ? Calculer: diagnostiquer le procédé Diagnostiquer l’état du procédé Jeux de règles expertes pour un nombre limité d’entrées - Robustesse - Conclusions partielles - Combinaison Qin pH-Qin pH Qgaz AGV CH4 Qgaz-Qin AGV-Qin QgazpH-Qin AGV-pHQin QgazCH4-Qin AGVQgaz-Qin Combinaison Alerte DCO DCO-Qin Calculer: diagnostiquer le procédé 60 40 20 Surcharge hydraulique 8 QIn L/h 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 pH 7 Surcharge Organique Sous-charge 6 DCO g/L 15 10 5 Acidification 0 10 20 30 40 50 60 70 80 AGV g/L 6 4 2 0 90 10 20 30 40 50 60 70 80 90 QGaz L/h 400 200 0 600 400 200 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 H2 ppm 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Calculer: diagnostiquer le procédé Diagnostic Sélectionner les meilleures sources d’information disponibles. Combiner les conclusions. Diagnostic de l’état du système, émissions d’alertes. Auto-évaluation de la cohérence du système de diagnostic ? Calculer: agir sur le procédé Commande et Aide à la décision Un contrôleur calcule de nouvelles valeurs de commande (pompe d’alimentation, composition de l’entrée). La nouvelle valeur peut être fournie comme une prescription à l’opérateur (aide à la décision) ou directement appliquée sur le procédé (contrôle temps réel). Différents types de contrôleurs Logique floue: jeu de règles expertes Control optimal: basé sur un modèle du procédé, calcul d’une trajectoire optimale Exemples de variable de contrôle: Débit de méthane, DCO, AGV, ratio d’alcalinité Avantages Réponse immédiate et adaptée. Gain de performances et potentiellement réduction de la consommation de soude Stabilisation de la sortie gaz (cogénération). Calculer: agir sur le procédé 1) Adaptive Controller 2) Open-Loop 3) Fuzzy Controller 60 Pompe Input Flow Rqte (l/h) 6 0 Measurement from the flowmeter 50 5 0 40 4 0 30 3 0 20 2 0 10 1 0 00 0.5 5 3 5 0 0 .5 Variable régulée Control action sent to the pump 5 3 6 0 5 3 7 0 5 3 8 0 5 3 9 0 5 4 0 0 5 4 2 0 5 4 3 0 5 4 4 0 5 4 5 0 Setpoint = 0.2 0.4 0 .4 IA/TA Ratio 5 4 1 0 0.3 0 .3 0.2 0 .2 0.1 0 .1 0 1000 0 .0 5 3 5 0 1 0 0 0 Effet indirect 5 3 6 0 5 3 7 0 5 3 8 0 5 3 9 0 5 4 0 0 5 4 1 0 5 4 2 0 5 4 3 0 5 4 4 0 5 4 5 0 No VFA accumulation 800 VFA (mg/l) 8 0 0 600 6 0 0 400 4 0 0 200 2 0 0 0 underloading Time (h) 0 5 3 5 0 0 5 3 6 0 10 5 3 7 0 20 5 3 8 0 30 5 3 9 0 40 5 4 0 0 50 5 4 1 0 60 5 4 2 0 70 5 4 3 0 80 5 4 4 0 90 5 4 5 0 100 Calculer: planifier Simulation prédictive de l’unité Evaluation d’une recette d’alimentation Conditions optimales de traitement (Temps de séjour, co-substrats) en fonctions de la cinétique et du pouvoir méthanogène des substrats. Interactions entre les substrats, accumulation d’azote, de sels… Propriétés du digestat. Optimisation de la recette Intégrer les contraintes logistiques, économiques et biologiques pour définir une trajectoire de recette à appliquer Intégration au mix énergétique La méthanisation est une des rares énergies renouvelables contrôlable. Révolution en cours de la production et distribution d’électricité: smart grids Doter les méthaniseurs d’outils pour adapter la production électrique à court (quelques heures) et à moyen terme (quelques jours). Planification des unités de méthanisation Modélisation / Optimisation Modèle type ADM-1 Amélioration de la description des phases de désintégration / hydrolyse Représentation des interactions entre substrats. Optimisation Simuler un bouquet de scénarios pour identifier le meilleur mix, la meilleure trajectoire, … Paramètres de simulation Bibliothèque de substrats Typage des substrats Essai biologique en réacteur: Méthode de typage rapide pour extraire les paramètres de modélisation de chaque substrat individuellement. La gamme MeMo Supervision en ligne Estimation, Diagnostic, Commande Memo-log Système d’information Collecter et partager les données MeMo-pro Planification Prévoir et optimiser le mix d’alimentation Télésupervision Expertise rapide et pertinente MeMo-plan MeMo-log: Suivi simple des unités Carnet de bord Calcul d’indicateurs de fonctionnement – Diagnostic du procédé Evaluation des performances du méthaniseur Détection d’accumulation, de dysfonctionnements. Calcul des bilans de fonctionnement Bilans massiques, énergétiques, économiques et environnementaux de l’unité. Modélisation régulière de l’historique du procédé Détection précoce de déviations du procédé Caractérisation a posteriori du pouvoir méthanogène des substrats Assistance d’exploitation Rapport de fonctionnement, préconisations de conduite Réponse en fonction des connaissances accumulées sur le procédé Evaluation des nouveaux substrats Tests en laboratoire, interprétation en fonction du comportement déjà observé. MeMo-Pro: supervision en ligne Court-terme: Visibilité et Compréhension du comportement du procédé Action rapide et pertinente Long terme Moins de dysfonctionnements, meilleures performances de fonctionnement Meilleure rentabilité de l’unité. MeMo-plan : planification de la recette Conclusion Atouts d’un système de supervision Court-terme Long terme Visibilité et Compréhension du comportement du procédé Possibilité de réaction rapide Moins de dysfonctionnements Périodes de fonctionnement dégradé moins longues. Meilleures performances de fonctionnement : > +10% Meilleure rentabilité de l’unité. Atouts d’un abonnement de suivi Expertise pertinente et rapide. Suivi proactif du procédé. Conclusion Atouts d’un système de planification Choix des substrats Rationaliser la sélection des contrats d’approvisionnement Optimisation de la recette Adapter la composition de l’alimentation en fonction des contraintes logistiques, biologiques et économiques. Planification de la production Préparer le méthaniseur pour faire évoluer la production Flexibilité et sécurité de l’installation Voir aussi plus loin Eco-conception de l’unité de méthanisation Outils de l’Analyse e Cycle de Vie pour mesurer les conséquences positives / négatives sur l’Environnement des choix de conception, de substrats, … http://bioentech.eu Biomasse Energie Environnement Technologie Ingénierie des systèmes d’information et modélisation des installations de méthanisation Jérémie Miroux, CEO [email protected] +33 (0)6 38 19 51 13 Bureau d’Etudes sur la conception d’installation de méthanisation Laurent Lardon, Recherche & Développements produits [email protected] +33 (0)7 81 47 60 99 BioEnTech SAS au capital de 70 000 € Pépinière d’entreprise INNOVEUM – 74 avenue Paul Sabatier, 11100 Narbonne Pépinière d’entreprise EINSTEIN – 13 avenue Albert Einstein, 69100 Villeurbanne
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