Mathematical Modeling and Optimization for Biogas Production

Modélisation Mathématiques et Optimisation pour la Production de Biogas La digestion anaérobique est un processus biologique au cours duquel des micro-organismes décomposent de la matière organique pour produire du biogaz (dioxyde de carbone et methane) qui peut être utilisé comme source d'énergie renouvelable. Cette thèse porte sur l'élaboration de stratégies de contrôle et la conception de bioréacteurs qui maximisent la production de biogaz.La première partie se concentre sur le problème de contrôle optimal de la maximisation de la production de biogaz dans un chemostat avec un modèle à une réaction, en contrôlant le taux de dilution. Pour le problème à horizon fini, nous étudions des commandes type feedback, similaires à ceux utilisés en pratique et consistant à conduire le réacteur vers un niveau de substrat donné et à le maintenir à ce niveau. Notre approche repose sur une estimation de la fonction de valeur inconnue en considérant différentes fonctions de coût pour lesquelles la solution optimale admet un feedback optimal explicite et autonome. En particulier, cette technique fournit une estimation de la sous-optimalité des régulateurs étudiés pour une large classe de fonctions de croissance dépendant du substrat et de la biomasse. À l'aide de simulations numériques, on montre que le choix du meilleur feedback dépend de l'horizon de temps et de la condition initiale.Ensuite, nous examinons le problème sur un horizon infini, pour les coûts moyen et actualisé. On montre que lorsque le taux d'actualisation tends vers à 0, la fonction de valeur du problème actualisé converge vers la fonction de valeur pour le coût moyen. On identifie un ensemble de solutions optimales pour le problème de limite et avec coût moyen comme étant les contrôles qui conduisent le système vers un état qui maximise le débit de biogaz sur un ensemble invariant.Nous revenons ensuite au problème sur à horizon fini fixe et avec le Principe du Maximum de Pontryagin, on montre que le contrôle optimal à une structure bang arc singulier. On construit une famille de contrôles extremal qui dépendent de la valeur constante du Hamiltonien. En utilisant l'équation de Hamilton-Jacobi-Bellman, on identifie le contrôle optimal comme étant celui associé à la valeur du Hamiltonien qui satisfait une équation de point fixe. On propose ensuite un algorithme pour calculer la commande optimale en résolvant cette équation de point fixe. On illustre enfin cette méthode avec les deux principales types de fonctions de croissance de Monod et Haldane.Dans la deuxième partie, on modélise et on étudie l'impact de l'hétérogénéité du milieu réactionnel sur la production de biogaz. Pour cela, on introduit un modèle de bioréacteur pilote qui décrit les caractéristiques spatiales. Ce modèle tire parti de la géométrie du réacteur pour réduire la dimension spatiale de la section contenant un lit fixe et, dans les autres sections, on considère les équations 3D de Navier-Stokes en régime permanent pour la dynamique des fluides. Pour représenter l'activité biologique, on utilise un modèle à deux réactions et pour les substrats, des équations advection-diffusion-réaction. On considère seulement les biomasses qui sont attachées au lit fixe et on modélise leur croissance avec une fonction densité dépendante. On montre que ce modèle peut reproduire le gradient spatial de données expérimentales et permet de mieux comprendre la dynamique interne du réacteur. En particulier, les simulations numériques indiquent qu'en mélangeant moins, le réacteur est plus efficace, élimine plus de matières organiques et produit plus de biogaz.