Investigation of waste materials and application for bio-batteries system proposals for low-power devices

Investigation de l'Energie des Bio Piles et leur Utilisation pour l'Alimentation des Appareils Faible Puissance

• Auteur / Autrice : Marie Norbertine Kamdjou Douma
• Direction : Olivier Ondel, Pierre Tsafack, Fabien Mieyeville
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 15/05/2025
• Etablissement(s) : Lyon 1 en cotutelle avec Université de Buéa
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AMPERE - Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie Environnementale et Applications (Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Marie Frenea-Robin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Ondel, Pierre Tsafack, Fabien Mieyeville, Christophe Innocent, Pascalin Tiam Kapen, Jean Sire Armand Eyebe Fouda, Florent Robert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Innocent, Pascalin Tiam Kapen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bioréacteurs

Électricité -- Production par réaction chimique

Recyclage

Fèces

Piles à combustible

Mots clés libres

Pile à combustible microbienne

Production d'électricité

Déchets biodégradables

Réacteurs imprimés en 3D à l'acide polylactique

Réacteurs à base de béton

Mise en stack des biopiles

Microbial fuel cell

Electricity production

Biodegradable waste

Polylactic acid 3D printed reactors

Concrete-based reactors

Stack configuration of MFCs

Résumé

La production d'énergie à partir de biodéchets a été à la tête de la recherche, compte tenu à la fois de son potentiel de contribution au processus de décarbonisation et de sa nature renouvelable. Cependant, les techniques utilisées restent complexes et non portables, ce qui ralentit l'adoption de la production de bioénergie. La pile à combustible microbienne (PACM) ou biopile est une technologie qui génère de l'énergie électrique directement à partir de déchets biodégradables. Cette technologie utilise le principe des cellules électriques conventionnelles. Les micro-organismes présents dans la chambre anodique décomposent les déchets et génèrent des électrons et des protons. Les électrons se fixent à l'électrode d'anode pour former un biofilm, tandis que les protons traversent la membrane pour rejoindre le compartiment cathodique où un oxydant et l'électrode cathodique sont présents. Une fois qu'un fil conducteur relie les deux électrodes ensemble, les électrons commencent à circuler pour rejoindre les protons présents dans la chambre cathodique, et ce mouvement des porteurs de charge génère de l'électricité. Cette méthode de production d'électricité attire de plus en plus les chercheurs, et les efforts déployés avec cette technologie restent principalement limités à l'échelle du laboratoire, restreignant ainsi son intérêt et son utilisation pour la génération d'énergie électrique. Il est important de trouver des moyens d'augmenter la production d'énergie de la PACM afin de couvrir des applications telles que l'alimentation d'appareils à faible puissance, comme ceux généralement utilisés dans les réseaux de capteurs sans fil (WSN), et l'éclairage dans les zones reculées des pays en développement où les communautés locales n'ont pas accès à l'électricité conventionnelle. L'objectif principal de ce projet de recherche est de proposer un système de production d'énergie de PACM performant, économique et stable, avec un processus de fabrication simple. Ce travail se concentre d'abord sur l'étude du potentiel des excréments (animaux et humains) pour produire de l'électricité grâce à la technologie des piles à combustible microbiennes, tout en tenant compte des facteurs influençant le rendement de production des PACMs afin d'améliorer la production et d'obtenir des résultats optimaux. Deux types de déchets sont spécifiquement choisis à cet effet : la bouse de vache et les excréments humains. Les réacteurs (cuves utilisées pour réaliser des réactions chimiques) sont imprimés en 3D à l'aide de matériau en acide polylactique (PLA) pour garantir la similitude, l'étanchéité et la reproductibilité des résultats. Après diverses caractérisations, la bouse de vache a montré un meilleur potentiel de production d'électricité à travers la technologie des PACMs par rapport aux excréments humains. Pour augmenter l'énergie produite par les PACMs, des configurations en « stack » sont expérimentées avec de la bouse de vache. L'étude examine différentes configurations (série, parallèle, série-parallèle, parallèle-série) pour minimiser l'inversion de tension, source de pertes d'efficacité. Les résultats indiquent que la configuration parallèle-série réduit les pertes et augmente la puissance totale, ce qui la rend adaptée aux PACMs à petite échelle, tout en évitant l'utilisation de circuits de protection contre le retour de tension. Pour réduire les coûts d'implémentation et favoriser la production locale des PACMs, des réacteurs en béton sont utilisés. Ces réacteurs ont montré leur faisabilité avec une densité de puissance maximale de 20,21 mW/m², surpassant les 14,1 mW/m² des réacteurs imprimés en 3D de la première expérience. De plus, la fabrication d'un réacteur à béton à double chambre est 5,17 fois moins coûteuse que celle d'un réacteur à chambre unique en plastique PLA.

Generating energy from biowaste has been at the helm of research given both its potential to aid in the decarbonization process and its renewable nature. However, the techniques used remain complex and non-portable, slowing down the adoption of bioenergy generation. Microbial fuel cell (MFC) is a technology that generates electrical energy directly from biodegradable waste. This technology utilizes the principle of conventional electrical cells. The microorganisms present in the anodic chamber break down the waste and generate electrons and protons. The electrons attach to the anode electrode to form a biofilm, while the protons pass through the membrane to join the cathodic compartment where an oxidant and the cathode electrode are present. Once a conductive wire connects the two electrodes together, the electrons begin to flow to join the protons present in the cathodic chamber, and this movement of charge carriers generates electricity. This method of electricity production is increasingly attracting researchers, and efforts made with the technology are still primarily limited to the laboratory scale, restricting its interest and utilization for electrical power generation. It is important to find ways of increasing the electrical power production of MFC in order to cover applications such as supplying low-power devices like those usually used in Wireless Sensor Networks (WSN), and lighting in remote areas of developing countries where local communities don’t have access to conventional electricity. The main objective of this research project is to propose a high-performance, cost-effective, and stable MFC energy production system with a simple manufacturing process. This work first focuses on the investigation into the potential of excreta (animal and human) to produce electricity through microbial fuel cell technology, while considering the factors influencing the production yield of MFC in order to improve the production and achieve optimal results. Two types of waste are specifically chosen for this purpose: cow dung and human faeces. The reactors (vessels used to carry out chemical reactions) are 3D printed using polylactic acid (PLA) material to ensure similarity, sealing, and reproducibility of results. After various characterizations, cow dung showed a better potential for electricity production through microbial fuel cell technology compared to human faeces. To afford the required energy, MFCs are put in a stack; cow dung is chosen and used for experimentation to investigate different configurations such as series, parallel, series-parallel combination, and parallel-series. The conduct of these investigations will highlight the configuration that can minimize voltage reversal, which is responsible for losses that drop down the production efficiency of MFCs when stacked together. The results show that the parallel-series combination limits losses in the stack assembly while increasing the total power of the system. This configuration can be used for small-scale MFCs to minimize losses and circumvent the use of protection circuits designed to prevent voltage return in MFC systems. To limit the costs associated with the implementation of MFCs and encourage local large-scale production of stacks, the use of concrete is investigated for the fabrication of MFC reactors. With those concrete-based reactors, in addition to demonstrating their feasibility, we achieved a maximum power density of 20.21 mW/m², which is higher than the 14.1 mW/m² obtained with the 3D-printed reactors from the first experiment. Furthermore, the production of a dual-chamber concrete-based reactor here is 5.17 times less expensive than that of the 3D-printed single chamber made with PLA plastic filament.