Kögelhof - désintégration par ultrasons surveillée par capteurs dans une installation de biogaz
Utilisation efficace de fournisseurs d’énergie naturelle
La ferme du Kögelhof dans le district de Ravensburg est une exploitation agricole familiale qui se consacre depuis 2004 à la génération d’énergie au moyen de biogaz. L’agriculteur Hermann Müller cultive lui-même sur 180hectares les ressources végétales nécessaires à cette fin. L’énergie produite suffit à alimenter en électricité 1400ménages en plus de la ferme elle-même. La chaleur dégagée permet de chauffer le bâtiment de l’école locale.
De l’énergie et de la chaleur durables pour le voisinage
Hermann Müller compare le principe de l’installation de biogaz au fonctionnement d’un estomac de vache – et il parle en connaissance de cause, puisque dans le passé il élevait lui-même des vaches laitières dans sa ferme du Kögelhof. «Les muscles de la vache brassent la substance organique comme les agitateurs du digesteur. Dans cet environnement chaud et étanche, la substance est décomposée par des microorganismes, ce qui génère du biogaz». Ce biogaz alimente dans l’installation du Kögelhof cinq moteurs qui génèrent de l’électricité par l’intermédiaire d’un générateur accouplé – jusqu'à 4,5millions de kilowattheures par an. Ils alimentent le réseau d’électricité et couvrent les besoins en énergie d’environ 1400ménages.
Photo 1 : Vue sur le Kögelhof. Photo 2 : Dans l’installation de désintégration par ultrasons, la biomasse est traitée pour un rendement énergétique maximal.
La chaleur dégagée est elle aussi utilisée efficacement: le fournisseur local a posé une conduite de chauffage à distance de 1,4kilomètre jusqu’au centre scolaire, où le bâtiment et la piscine sont maintenant chauffés de manière biologique et durable. Cela représente une économie annuelle de 80000litres de mazout. A l’avenir, un nouveau bâtiment adjacent sera aussi chauffé au biogaz. Comme la génération d’énergie du Kögelhof est réalisée en fonction des besoins, la ferme en produit davantage en hiver qu’en été. «Pour cette raison, il faut augmenter le débit de la biomasse, ce qui fait que son potentiel énergétique total n’a pas toujours pu être entièrement exploité jusqu’ici », indique Hermann Müller. «Quand le volume de production est élevé, il reste toujours une certaine énergie résiduelle contenue dans le produit final de la biomasse, appelé substrat de fermentation. Pour cette raison, nous étions à la recherche d’une solution pour produire de manière vraiment durable et pour tirer pratiquement toute l’énergie de la biomasse». Une solution que Hermann Müller a trouvée avec la société Weber Entec.
Désintégration par ultrasons
Weber Entec se spécialise dans la construction d’installations pour applications à ultrasons dans le domaine des équipements environnementaux, en particulier la désintégration – la sonication de matières biogènes. Avec ce procédé, la surface du substrat de fermentation est agrandie – dans le jargon professionnel on appelle ce procédé la désintégration. Grâce à cette extension de la surface, le processus de dégradation organique s’accélère et le rendement énergétique augmente.
Dans la désintégration par ultrasons, les vibrations électriques produites par un générateur sont converties en vibrations mécaniques par un convertisseur (transducteur). Ces vibrations sont transmises au fluide environnant par une sonotrode. En alternance, au rythme de la fréquence des ultrasons, elles y provoquent des surpressions et sous-pressions élevées, selon que le vibrateur s’étend ou se contracte. Pendant la phase de sous-pression de petites bulles microscopiques de vapeur se créent dans le liquide soumis à sonication, qui implose lors de la phase de surpression suivante. Ce procédé est appelé cavitation. Les implosions libèrent des pressions et températures élevées, ce qui étend encore le processus de désintégration dans la biomasse.
Photo 1 : Le capteur de pression PM1604, avec sa robuste cellule de mesure de pression céramique-capacitive, est idéal pour la surveillance de la pompe. Photo 2 : Il est possible de connecter plusieurs capteurs et actionneurs IO-Link au maître IO-Link. Celui-ci sert aussi de passerelle et communique via PROFINET avec le système de contrôle-commande de l’installation.
Contrôle de pression de la pompe
Pour la surveillance de la désintégration, Weber Entec utilise dans cette installation des capteurs et des maîtres IO-Link d’ifm. Par exemple sur la pompe du digesteur principal où le substrat de fermentation est pompé en direction ou en provenance de l’installation à ultrasons. Les capteurs surveillent la pompe en mesurant la pression du côté de l’aspiration et du refoulement. En outre, ils protègent la génération d’ultrasons et pilotent le débit en cas de perte de pression trop élevée dans la conduite.
Grâce à sa robuste cellule de mesure de pression céramique-capacitive, le capteur de pression affleurant PM1604 convient parfaitement à cette application. La cellule de mesure est résistante aux particules dans le fluide, le raccord process affleurant prévient les dépôts sur la cellule de mesure.
Polyvalent grâce à IO-Link
Les capteurs sont reliés au système de contrôle-commande via IO-Link. Concrètement, via IO-Link, les capteurs communiquent avec le maître IO-Link. Celui-ci permet de raccorder plusieurs capteurs, rassemble les signaux et communique par bus de terrain, ici Profinet, avec le système de contrôle-commande. Le câblage est ainsi considérablement réduit. Cette voie de communication numérique complète offre d’autres possibilités que la seule transmission sans pertes de la valeur mesurée. Via IO-Link, il est par exemple possible de lire les valeurs minimales et maximales du capteur qui fournissent une information sur les possibles pics de pression critiques de courte durée. Les données de diagnostic permettent de vérifier à tout moment l’état du capteur. Toutes ces données fournies en plus de la simple valeur mesurée aident à prévenir les arrêts non planifiés de l’installation. Le paramétrage du PM1604 est aussi réalisé via IO-Link. Il est donc possible, par exemple, de mettre à l'échelle l’étendue de mesure dans des limites libres et de l’adapter de manière optimale à l’application. Christian Eichhorst, directeur de Weber Entec GmbH & Co. KG, résume: «Les capteurs sont très précis et fiables. En particulier, grâce à IO-Link nous avons pu significativement améliorer notre système de contrôle-commande. IO-Link offre de très grands avantages tels que le câblage réduit ou la lecture directe de divers paramètres comme, par exemple, la pression maximale».
Conclusion
Utiliser efficacement les ressources – cette maxime s’applique aussi bien à la valorisation énergétique de la biomasse qu’à l’utilisation de capteurs qui, grâce à IO-Link, fournissent davantage que les seules valeurs mesurées. Cela apporte une transparence maximale dans la surveillance du process et permet l’exploitation efficace et sans pannes de l’installation de biogaz.