Une technologie de pesage de précision pour optimiser les centrales de biogaz

Le biogaz est une source d’énergie écologique qui contribue, d’ores et déjà et de manière importante, à la transition énergétique. Des équipes scientifiques de l’Institut Agricultural and Urban Ecological Projects de l’Université Humboldt de Berlin étudient des méthodes permettant aux installations de biogaz de devenir encore plus durables à l'avenir, notamment en favorisant l'utilisation de déchets. Les essais complexes et effectuer sur de longue durée requis, exigent une technologie de mesure précise. Les scientifiques s’appuient, pour les mesures réalisées dans les réacteurs expérimentaux, sur une chaîne de mesure à technologie de pesage intégrée HBM - allant du capteur de pesage à point d’appui central PW12C jusqu’au logiciel PanelX en passant par PAD, l’électronique numérique pour pesons.

Le biogaz constitue un des axes majeurs de la transition énergétique. Contrairement aux éoliennes et aux panneaux photovoltaïques, cette technologie ne dépend ni des conditions météorologiques ni de la luminosité et pourra ainsi, à l’avenir compenser, les fluctuations de réseau, par exemple lorsque le vent et le soleil ne produisent pas assez d’énergie. Déjà en 2018, Allemagne, 13 % de la production électrique issues de sources renouvelables étaient déjà générés par des centrales de biogaz.  Néanmoins, la critique de ce système était que la production du biogaz reposait principalement - jusqu’à présent - sur la culture d’un maïs spécifique :  culture à la fois coûteuse et inefficace.

Problème

Dans le cadre du projet BioKat, les scientifiques de l’Institut Agricultural and Urban Ecological Projects de l’Université Humboldt de Berlin étudient les moyens d’optimiser la rentabilité des usines de biogaz, en utilisant, par exemple en une proportion croissante de déchets pour la production du biogaz. Dans le cadre des essais menés sur quatre réacteurs expérimentaux de 25 litres chacun, le niveau de remplissage est un facteur très important. Afin d’effectuer une nouvelle campagne d’expérimentations, les scientifiques étaient à la recherche d’une technologie de mesure gravimétrique permettant de :

  • mesurer les valeurs avec précision pendant toute la durée du test,
  • fournir des données fiables dans un environnement de simulation extrême, et
  • fonctionner de manière fiable, rapide et conviviale.

"Les résidus et déchets peuvent être mieux valorisés"

« Notre projet de recherche BioKat étudie comment les composants d'enzymes fongiques présents dans les installations de biogaz peuvent permettre une décomposition rapide et facile, même de substances difficiles à décomposer », explique Marius Conrady, responsable du projet - en qualité d’associé de recherche de l’IASP (Institut für Agrar- und Stadtökologische Projekte). « Les résidus et déchets pourront ainsi être mieux valorisés dans la production de biogaz à l’avenir », ajoute le chef de projet Dr Ing. Patrice Ramm. La campagne d’essais, qui s’étale sur plusieurs mois, nécessite une technologie de mesure extrêmement fiable capable de fournir des données précises pendant toute la période de test. HBM a fourni à l’équipe de recherche un ensemble exhaustif de matériel de pesage de haute qualité, basé autour du capteur de pesage de précision PW12C.

Des mesures précises dans les réacteurs de biogaz

Le cœur du projet BioKat est constitué de quatre cylindres noirs qui ne peuvent pas passer inaperçus. « Dans nos quatre réacteurs expérimentaux, nous analysons de quelle façon différents mélanges enzymatiques accélèrent la fermentation de notre matière première test, provenant d’ensilages complets, explique Marius Conrady. Pour cela, après la phase de démarrage, nous apportons à chacun de nos réacteurs expérimentaux 176 grammes d’ensilage complet et de l’eau. » Un agitateur remue en permanence cette masse, tandis qu’un bain est maintenu à une température constante de 38C°degrés dans les réacteurs permettant de garantir exactement les mêmes conditions lors de toute la durée du projet.

Le niveau de remplissage des réacteurs (d’une capacité totale de 25 litres chacun) influence considérablement les essais. Ce niveau à un impact très important sur la formation gazeuse et sur d’autres éléments majeurs tel que le couple des agitateurs qui remuent la masse dans les réacteurs ou encore la charge volumétrique. « Lors des campagnes de tests précédentes, nous ne pouvions qu’évaluer le niveau au travers des fenêtres d’inspection, explique Marius Conrady. Cela posait évidemment problème, la masse, composée d’ensilages et d’eau est très peu homogène et a une teneur élevée en matière sèche. De plus, on observe souvent la formation de mousse dans le réacteur. » Pour la prochaine campagne de tests, les scientifiques recherchent donc une solution permettant en outre de déterminer le niveau de remplissage en se basant de la technologie de mesure gravimétrique. Les experts HBM conseillent l’IASP et développent, avec les scientifiques, un système holistique de pesage gravimétrique incluant aussi bien des capteurs que l’évaluation électronique sur base logicielle.

Solution

Avec l’aide des scientifiques de l’IASP, les experts en technologie de mesure HBM développent un système holistique de mesure parfaitement adapté à l’environnement de test. Pour cela, ils utilisent les composants suivants :

  • Avec sa classe de précision C3 Multi-Range, le capteur de pesage PW12C apporte une précision unique pour ce type de modèle. Sa compensation de charge décentrée intégrée en fait l’instrument idéal pour les applications à point d’appui central impliquant de grandes plate-formes de pesage.
  • L’électronique numérique pour pesons PAD convertit les signaux des pesons de la jauge de contrainte HBM en données numériques haute résolution. Le PAD, qui est équipé de différents filtres, fournit des données exactes même dans des environnements de mesure difficiles.
  • Grâce à la convivialité du logiciel PanelX, l’électronique pour pesons peut être minutieusement réglée pour divers travaux de mesure ou encore pour enregistrer, évaluer, adapter ou visualiser les données relevées.

Un seul capteur de pesage pour mesurer le niveau de remplissage du réacteur

« Notre capteur de pesage PW12C de 50 kilogrammes de capacité est au centre du concept de pesage de l’IASP, raconte Marcel Richter, Head of Product Management Weighing Technology & OEM Sensors pour HBM. Sa compensation de charge décentrée intégrée en fait l’instrument idéal pour les applications à point d’appui central impliquant des plate-formes mesurant jusqu’à 800 mm x 800 mm. Dans la configuration d’essai de l’IASP, un seul capteur de pesage supporte le poids de tout un réacteur expérimental, en cela, la performance globale de ce modèle est unique sur le marché. »  Le capteur de pesage PW12C pèse des charges allant de 50 à 750 kilogrammes de manière précise, avec une classe de précision C3 Multi-Range.

En outre, grâce au blindage du câble relié à l’organe de mesure, le système est parfaitement protégé contre les perturbations électromagnétiques et ainsi particulièrement indiqué pour les conditions en laboratoire. « Sa rigidité, associée à la technologie éprouvée des jauges de contrainte HBM, le PW12C est parfaitement adapté aux applications statiques ou très dynamiques, tel que la surveillance des balances de contrôle, poursuit Marcel Richter. Dans le même temps, ce capteur de pesage est extrêmement robuste. » 

Le PW12C peut également être utilisé en environnement industriels difficiles grâce à son indice de protection IP67 et à sa protection antisurcharge ajustable individuellement.

 

Numérisation haute résolution des données mesurées

« Dans le projet de recherche BioKat, l’électronique numérique pour pesons PAD convertit les signaux analogiques du capteur de pesage en données numériques haute résolution, reprend Marius Conrady. Ainsi, il nous est facile d’enregistrer les résultats de mesures de notre environnement d’essais sur PC, de les évaluer et d’obtenir une vue d’ensemble rapide. » En fournissant à l’IASP le capteur de pesage, l’électronique et tous les accessoires nécessaires, HBM fournit tout ce dont il a besoin depuis une source unique. « Nous proposons à nos clients une large gamme d’accessoires leurs permettant d’élaborer une chaîne de mesure optimale, commente Marcel Richter. En outre, notre électronique numérique pour pesons PAD offre un outil simple et convivial pour numériser les capteurs de pesage basé sur jauge de contrainte ou les pesons à une résolution extrêmement élevée. »

Le PAD est facile à connecter aux capteurs de pesage selon le principe plug & play, et est prêt à l’emploi en quelques minutes. Grâce au traitement intégré des signaux de mesure avec des filtres sélectionnables ou automatiques, l’électronique pour pesons garantit une précision maximale, même sous les vibrations constantes des agitateurs du réacteur expérimental dans l’environnement d’essai de l’IASP. Elle supporte de plus les conditions environnementales les plus difficiles grâce à son boîtier compact en acier inoxydable et de son indice de protection IP68/IP69K.

Résultats

Grâce à sa précision élevée, le capteur de pesage PW12C mesure les niveaux de remplissage des réacteurs expérimentaux de façon gravimétrique, en conservant la même précision pendant toute la durée d’essai. Dans une configuration à point d’appui central, un seul capteur de pesage par réacteur suffit. Grâce à l’électronique numérique pour pesons PAD et à ses accessoires, l’équipe de chercheurs de l’IASP est en mesure de connecter directement le capteur de pesage à un PC et de configurer facilement la chaîne de pesage pour l’essai. Les nombreuses fonctionnalités du logiciel PanelX permettent aux utilisateurs d’évaluer, d’analyser et d’éditer sous forme de graphique les données relatives aux niveaux de remplissage des réacteurs expérimentaux, rapidement.
 

Démarrage et visualisation

Les scientifiques de l’IASP s’appuient également sur HBM pour la solution logicielle. « Nous utilisons le logiciel PanelX HBM pour étalonner le capteur de pesage et pour enregistrer, imprimer et visualiser les données, indique Marius Conrady. Grâce à la commande intuitive de PanelX, nous avons pu adapter rapidement la technologie de mesure à notre environnement d’essai et la mettre en œuvre. De plus, le logiciel nous permet une visualisation et une évaluation rapide des résultats de nos mesures. » PanelX dispose de nombreuses fonctionnalités, supportant la technologie de mesure HBM dans le cadre d’une grande variété d’applications de pesage tant statiques que dynamiques. Les utilisateurs peuvent notamment s’appuyer compter sur une assistance solide du logiciel - lors des phases de démarrage et  pour l’étalonnage du matériel de pesage -  et bénéficient de l’évaluation et de la visualisation rapides des données. L’analyse intégrée de la fréquence est un élément clé, pour l’évaluation et l’optimisation des applications dynamiques intégrales, par exemple.

Des données de mesure précises pour la recherche sur le biogaz

« Grâce à la précision de la technologie de mesure de HBM, nous parvenons, dans notre campagne actuelle d’expériences, à suivre précisément les quantités journalières d’ensilage et d’eau ajoutées, et à les comparer avec la quantité cible, explique Marius Conrady. Cela nous permet d’optimiser nos processus et, notamment, d’éviter toute erreur dans le dosage quotidien à la biomasse. »  De plus, les scientifiques sont à présent capables de calculer plus précisément la perte de poids due au processus de décomposition dans les réacteurs, et de la corréler avec la formation de gaz. « Dans nos essais, nous mesurons la formation de gaz grâce à un compteur volumétrique. Les courbes de perte de masse et les quantités de gaz produites présentent une excellente corrélation, dit Marius Conrady.

" La comparaison des résultats de ces deux mesures nous permet d’identifier rapidement les données erronées et de rectifier valablement les résultats de notre étude. Grâce à la précision de la chaîne de mesure HBM, nous disposons ainsi d’une base de données totalement fiable, qui nous permettra d’améliorer la technologie de biogaz dans le futur."

L’Institut Agricultural and Urban Ecological Projects (IASP)

de l’Université Humboldt de Berlin soutient les petites et moyennes entreprises dans la recherche et le développement de technologies novatrices dans les domaines de l’agroalimentaire, des matières premières biogéniques, de l’élevage et des systèmes végétaux. En sa qualité de partenaire, l’équipe interdisciplinaire qui rassemble 35 scientifiques et techniciens met au point des solutions orientées application aux problèmes rencontrés sur le terrain. Le biogaz constitue un domaine de recherche privilégié pour l’IASP. Par des projets tels que BioKat, l’IASP apporte une contribution majeure à la mise en œuvre de technologies de biogaz plus rentables et plus durables.