Projet ANR-13-BIME-0007 – AUTOFERM : Maîtrise de la méthanisation en humide à la ferme
Programme : Bio-Matières et Energies (Bio-ME)
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Monsieur FICK Michel (Université de Lorraine - Ensaia)
Partenaires : BIOENTECH; Institut polytechnique LaSalle Beauvais; Laboratoire Réactions et Génie des Procédés; Université de Lorraine; Institut Charles Delaunay
Montant : 747805.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 48 mois
Résumé : Autoferm ou comment piloter son méthaniseur à la fermeDévelopper la conduite de la méthanisation à la ferme en limitant les dysfonctionnements
Enjeux et objectifsDans le cadre du plan Energie Méthanisation Autonomie Azote, le Ministère de l’Agriculture a prévu d’accompagner la création d’environ 1000 méthaniseurs à la ferme d’ici 2020. Outre le retour financier de cet équipement, le porteur d’un projet de méthanisation cherche à investir dans des systèmes fiables, peu sujets aux dysfonctionnements. Dans ce contexte Autoferm a pour objectifs de proposer des stratégies de pilotage d’installations réelles grâce à des logiciels de suivi intelligents alimentés par des capteurs physiques, par des techniques innovantes de filtrage numérique et par des modèles de connaissance. Une des originalités du projet concerne la taille des installations étudiées : du pilote de 1 m3 au méthaniseur agricole de 500 m3, rendant les résultats obtenus directement utilisables à l’échelle « industrielle ».Concernant plus spécifiquement l’approche « capteurs », un état des lieux doit établir les capteurs utilisables à grande échelle et amenant une information pertinente ; une exploration de capteurs innovants sera également menée sur le problème spécifique des acides gras volatils en phase gazeuse.Comme décrit plus haut, Autoferm a pour vocation de fournir aux constructeurs de méthaniseurs ou aux exploitants d’unités de méthanisation des clefs de pilotage et doit contribuer au développement de cette technologie sur les territoires ruraux.
Méthodes/approchesDifférentes méthodes ou approches sont employées pour mener à bien Autoferm :-	Capteurs : outre la création de la base de données qui demande essentiellement des méthodes de recherche et de structuration de l’information, Autoferm développe des approches originales sur des capteurs à acides gras volatils en phase gazeuse. Il s’agit de capteurs SERS (Surface-Enhanced Raman Scattering) qui sont très prometteurs puisqu’ils permettent d’obtenir une signature des molécules présentes en solution ou en phase gaz et peuvent laisser espérer détecter des teneurs aussi faibles que 10-14 mol.L-1. Par ailleurs les informations issues des capteurs seront traitées grâce à un développement de méthodes numériques originales (Kernel en Analyse de Composantes Principales  ou One-Class Support Vector Machines) destinées à traiter et fiabiliser ces données afin de minimiser les erreurs d’appréciation.-	Dysfonctionnements : des perturbations seront provoquées sur les installations pilotes afin de mesurer leur impact sur les variables mesurables par les capteurs.-	Modélisation : le modèle ADM1 sera adapté aux conditions de la méthanisation agricole et servira d’outil de simulation utilisable dans l’exploitation des perturbations mais également dans l’implantation du logiciel de pilotage-	Pilotage : le logiciel développé par BioEntech sera implanté sur le méthaniseur de l’Université de Lorraine et enrichi grâce aux résultats des étapes précédentes (capteurs, filtrage numérique, modélisation).
Résumé de la soumission : L’augmentation des émissions de gaz à effet de serre, la dégradation de l’environnement et la raréfaction des énergies fossiles nous orientent tout naturellement vers des énergies renouvelables telles que la méthanisation. Les applications agricoles de la méthanisation suscitent un intérêt croissant, tant auprès du monde agricole qu’auprès des acteurs de l’énergie, de l’environnement et des pouvoirs publics. La filière méthanisation agricole Française rencontre des difficultés pour se déployer sur le territoire. Le principal frein est l’investissement qui est étroitement lié  au volume des cuves process. La difficulté de pilotage de ses unités conduit les concepteurs à prendre des marges de sécurité importantes liées à des temps de séjour très longs (50 à 90 jours), multipliant souvent les volumes de mise en œuvre par 2.Cette marge de sécurité s’explique par le fait qu’un problème majeur sur un digesteur peut entraîner des arrêts d’exploitation de 2 à 3 mois.L’assurance d’une fiabilité du digesteur agricole permettra de réduire ces temps de séjour et donc de réduire considérablement le montant des investissements à prévoir.Le programme Autoferm se propose de concevoir un outil de pilotage interactif apportant à l’exploitant une garantie sur la conduite de son unité de production et notamment de détecter suffisamment tôt les problèmes biologiques et techniques. Dans un premier temps, des capteurs seront évalués ; le choix et la phase de test des capteurs est une étape essentielle pour la fiabilisation et la durabilité de l’outil final. Cette phase sera réalisée sur des installations pilotes de manière à trouver des conditions les plus proches possibles des digesteurs agricoles. A titre d’exemple, des capteurs tels que des sondes pH en céramique seront évaluées, un capteur infra rouge AGV (Acides Gras Volatils) en phase gazeuse original par son seuil de perception sera testé (les capteurs AGV en phase liquide  demandent un montage compliqué et ne sont pas fiables dans le temps).A l’issue de cette phase de choix des capteurs, le projet cherchera à construire un outil (algorithme)  de surveillance et d’alerte pour les exploitants. Cet outil doit détecter, à travers l’analyse des capteurs, un problème majeur de fonctionnement de l’unité de méthanisation. Pour assurer ce monitoring, le travail de la société Power Bio sera utilisé, cette start-up ayant déjà conçu des logiciels de suivi adaptés à notre problématique. Dans cette phase du projet les capteurs sélectionnés alimenteront l’interface monitoring pour avoir un suivi en ligne de l’état de performance de l’unité de méthanisation. Le logiciel de monitoring et l’outil de surveillance se compléteront pour donner des informations pertinentes à l’exploitant.Cependant la complexité des réactions biologiques au sein d’un digesteur est telle qu’il est nécessaire d’avoir également une vue prédictive pour anticiper des dérives. La conception d’un modèle adapté à la compréhension des réactions biologiques doit permettre de détecter des dysfonctionnements suffisamment tôt pour éviter des désordres biologiques au sein du digesteur. Des modèles phénoménologiques fondés sur ADM1 seront adaptés aux fonctionnements des méthaniseurs agricoles et seront testés dans des conditions réelles.Pour tester les outils conçus dans le cadre du programme, des perturbations ciblées seront organisées pour tester le système de surveillance et l’efficacité du modèle à l’échelle pilote.Les techniques les plus fiables et les plus robustes seront retenues pour les tester sur une installation agricole réelle du domaine expérimental de l’Ensaia. Une des principales perspectives à ce travail sera de développer un système de contrôle-commande assurant la fiabilité de la méthanisation agricole et donc d’accroître très significativement sa rentabilité.
Résultats : Une base de données fiable et disponible en ligne des principaux capteurs utilisables en méthanisation agricole a été réalisée.
Les travaux en amont sur le capteur à Acide Gras Volatil n’ont pas encore abouti à des résultats exploitables.
Des données générées par le modèle ADM1 sont en cours de traitement par analyse numérique pour aboutir à des filtrages efficients à partir des méthodes développées par l’Université de Technologie de Troyes.
Sur le méthaniseur à la ferme de l’Université de Lorraine, ont été réalisés : 
-	des bilans de chaleur qui seront exploités dans le futur pilotage de l’installation.
-	des analyses rhéologiques des mélanges lisiers et fumiers qui l’alimentent.
-	l’implantation du logiciel Memo de BioEntech afin de capitaliser des données de fonctionnement.
Des contacts ont été établis entre l’Université de Lorraine, BioEntech et l’entreprise Eclair (entreprise lorraine qui commercialise actuellement des méthaniseurs allemands et qui cherche à concevoir des installations de technologie française).
Perspectives : Les applications directes d’Autoferm concernent le pilotage des méthaniseurs à la ferme avec un potentiel de développement important en France dans les années à venir (plan ministériel EMAA).
Sur le plan de la recherche, il y aura à poursuivre la démarche de développement de capteurs efficients d’acides gras volatils en phase gazeuse car les premiers résultats de cette sous-tâche montrent de réelles difficultés de faisabilité.
La combinaison pilotage utilisant des informations filtrées ajustées par des modèles de connaissance devrait être opérationnelle avant la fin d’Autoferm : ce sera une des principales valeurs ajoutées du projet avec une exploitation industrielle directe possible.
Publications et brevets : Une publication sur les capteurs a été soumise dans une revue internationale ; une communication a été acceptée au principal congrès mondial portant sur la méthanisation au Chili en novembre 2015 : il s’agit de l’étude de la rhéologie du lisier mentionnée plus haut.