Récupération d'énergie à partir de piles à combustible microbiennes benthiques

Abstract

Harvesting energy in the surrounding environment is an advantageous alternative to conventional batteries for powering autonomously remote sensors in addition to processing in an eco-friendly way. Many researches currently focus on harvesting energy from solar, thermal and vibrational sources scavenged in environments near the sensor. Less analyzed in the literature, the benthic microbial fuel cell (BMFC) is an emerging harvesting technology that exploits the waste materials in the seafloors. The catalysis properties of bacteria into a couple of redox reactions convert chemical energy from the sediment into electrical energy. Although promising as a long-term energy source for marine sensors, its power levels (around 100 μW) and voltage (0.6 V in open circuit) commit us to reflect on the design of its electronic harvesting interface. The first chapter of this thesis details the design of lab-made cm2-BMFC while maintaining conditions close to the natural environment. A second chapter focuses on characterizing and modeling the electrical behavior of BMFCs in the static and dynamic domains. Thanks to the static electric model, a harvesting electrical interface is defined and optimized to extract the maximum power and maximize the conversion efficiency. The flyback converter in discontinuous conduction mode is chosen. By using a model predicting the losses of the experimentally validated flyback, we studied the choice of the switching frequency, the duty cycle and the coupled inductances. We reached an efficiency of 82% and 64% for a BMFC delivering respectively 90 μW and 30 μW. A final chapter focuses on optimizing the harvesting interface by taking into account the different variabilities of the BMFC. In particular, the interest of the MPP monitoring is discussed and the influence of the flyback switched behavior on the additional dynamic losses within the BMFC is analyzed thanks to the dynamic electrical model of the BMFC deduced in the second chapter.La récupération d'énergie ambiante est une solution prometteuse pour alimenter de manière autonome des noeuds de capteurs en remplacement des batteries chimiques. Néanmoins, dans certains milieux tels que les fonds océaniques, l’absence de radiations lumineuses, de vibrations mécaniques ou de gradients de température suffisants interdit le recours à la récupération d’énergie conventionnelle. La pile microbienne benthique (BMFC pour Benthic Microbial Fuel Cell), est un système permettant de valoriser électriquement l’énergie stockée dans les sédiments à l'aide du métabolisme électro-actif des bactéries qui y sont naturellement présentes. La BMFC ouvre ainsi la voie à la récupération d’énergie en milieu marin et promet un apport d’énergie théoriquement illimitée du fait du renouvellement constant de l’écosystème. Les niveaux de puissance (autour de 5 µW/cm² d’électrode) et de tension (environ 0,6 V en circuit ouvert) engagent à mener une réflexion sur la conception d’une interface électronique de récupération afin d’extraire le maximum d'énergie et élever sa tension au minimum requis par une électronique conventionnelle utilisée dans les capteurs environnementaux (quelques volts).Le premier chapitre de cette thèse détaille la conception de BMFCs de taille centimétrique faites en laboratoire en maintenant des conditions proches du milieu naturel. Les BMFCs sont confectionnées avec des électrodes d’au minimum 20 cm² afin de générer une puissance « brute » d’environ 100 µW. Plusieurs piles sont caractérisées électriquement, mettant en valeur un point de puissance maximal (MPP) puis permettant de quantifier les puissances délivrées suivant les configurations (notamment lors d’une connexion en parallèle de BMFCs). Les variabilités dont sont sujettes les BMFCs se divisent en deux catégories : les premières sur le long terme (après plusieurs heures) et les secondes sur le court terme (inférieur à la seconde). La puissance au MPP peut ainsi varier de plus ou moins une décade en quelques semaines et lors d’une polarisation AC, la BMFC révèle un régime transitoire (dont l’origine sera déterminée au chapitre suivant).Le deuxième chapitre s’intéresse à caractériser et modéliser le comportement électrique de la pile en vue de concevoir de manière appropriée le circuit de récupération pour le dédier à une BMFC centimétrique dans son environnement naturel. Dans un premier temps, la BMFC est caractérisée dans le domaine « statique ». Dans un second temps, la BMFC est caractérisée dans le domaine « dynamique » (d’une microseconde à une heure) par spectroscopie d’impédance. Le modèle met ainsi en lumière deux branches RC parallèles auxquelles sont associées deux constantes de temps. Ce modèle dynamique est directement corrélé aux variabilités court-terme évoquées au chapitre 1.A l’aide du modèle « statique » équivalent d’une BMFC, une interface de récupération est définie et optimisée de manière à extraire le maximum d’énergie et maximiser le rendement de conversion aux chapitres 3 et 4. Le choix se porte sur le convertisseur hacheur à liaison indirecte isolée, dit flyback, en mode de conduction discontinue (MCD). Une étude de l’influence des différents paramètres a montré l’importance de travailler avec des valeurs d’inductance supérieures à plusieurs mH pour limiter la fréquence de découpage à quelques kHz et ainsi éviter une augmentation des pertes par commutation engendrées par l’oscillateur et le transistor de puissance. Un modèle prédisant les pertes du flyback, validé expérimentalement, a également permis de mettre en évidence la prédominance des pertes dues à l'hystérésis du matériau magnétique des inductances couplées. Cette observation a permis de proposer une fabrication sur mesure d’inductances couplées. En utilisant une électronique discrète, un convertisseur flyback a été conçu atteignant 82% de rendement pour une BMFC délivrant 90 µW. L’utilisation d’inductances couplées à l’air a également été étudiée, permettant d’atteindre un rendement de 62%, inférieur au rendement précédent en partie du fait de son inductance de fuite. Pour finir, l’analyse est étendue à des puissances trois fois plus faibles. Un rendement de 64% a ainsi été atteint à 30 µW.Un dernier chapitre s’intéresse à optimiser l’interface de récupération en prenant en compte les différentes variabilités de la BMFC (présentées au chapitre 1). Du fait de son comportement commuté, le convertisseur flyback impose un courant AC en sortie de la BMFC susceptible d’engendrer des pertes dites « dynamiques » supplémentaires au sein de la BMFC. Ces pertes représentent environ la moitié de la puissance délivrée au flyback. Elles deviennent néanmoins négligeables lors de l’ajout d’une capacité de découplage de quelques µF en sortie de la BMFC. Dans un second temps, l’intérêt du suivi du MPP est discuté dans le cas de nos BMFCs. Cette stratégie d’extraction ne permet pas de maximiser le rendement de conversion du flyback. Une BMFC de 20 cm² d’électrode a ainsi démontré pouvoir délivrer suffisamment d’énergie (95 µW) pour alimenter un capteur environnemental qui, toutes les 4 s, mesure la température ambiante et l’accélération et transmet ces données par protocole bluetooth à un récepteur