(Révision du
8/11/2005)
Avertissement
Ce
logiciel ne fonctionne que sous Windows XP, et à condition d’avoir installé
dans Program Files Microsoft
.NET Framework Version 1.1 Redistributable . Si vous n’avez pas ce
dernier sur votre disque, deux possibilités :
·
le télécharger directement par internet (23 Mo : assez
lourd) ; il n’existe pas toujours en version française, de sorte que lors de
l’utilisation du logiciel SPIRPACF les virgules décimales sont parfois
transformées en points : se conformer à la version disponible, sinon
l’utilisation de points à la place de virgules décimales ou inversement
provoquera une erreur.
·
si vous disposez de la présente notice sur CD-Rom, installer dotnetredistr.exe, qui est
en version française.
N'essayez pas d'exécuter directement le logiciel téléchargé, ce qui conduit à une erreur ; il faut d'abord l'enregistrer sur votre disque dur.
Le logiciel peut aussi être
envoyé par e-mail, sur demande.
C. Comment créer de nouveaux cas
ANNEXE 1 : Description détaillée du modèle de
simulation
ANNEXE 2 : Les facteurs influençant la photosynthèse
A) Mode d’emploi du logiciel SPIRPACF
La résolution d’écran recommandée est de 1024 x768 pixels. Un écran 15 pouces au moins est préférable.
Les résultats se lisent soit sur les graphiques
(attention aux échelles), soit sur le tableau journalier. Les concentrations en
spiruline sont mesurées juste avant la récolte, et les pH sont mesurés à 19
heures.
Plutôt que de changer les valeurs de paramètres par la méthode ci-dessus (§ A), il est possible d’écrire un fichier texte qui est une série de 179 valeurs de paramètres ou caractères délimiteurs, séparés par des virgules. Pour faciliter le repérage des paramètres, un délimiteur (une lettre majuscule entre guillemets) est placé après chaque série de 12 valeurs. En voici un exemple :
32.7,33.8,33.3,32.7,31.6,31.1,30,30,30.5,30.5,31.6,31.6,"/A/",19.4,20,21.1,21.6,21.1,20.5,20.5,21.1,20,20,20,19.4,"/B/",19.4,20,21.1,21.6,21.1,20.5,20.5,21.1,20,20,20,19.4,"/C/",5.8,14.3,25.8,26.7,29.2,30,35.5,38.7,36.7,38.7,23.2,8.4,"/D/",2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,"/E/",0.26,0.26,0.26,0.26,0.26,0.26,0.26,0.26,0.26,0.26,0.26,0.26,"/F/",20,45,135,140,180,142,190,250,200,200,105,35,"/G/",0,0,0,366,1,0,0,0.2,0.1,20,0,20,"/H/",1,0,1,1,0,340,5,0.3,0.15,1.8,10,0,"/I/",15,7,0,0,1,30,0,0,6.13,1,0,365,"/J/",5,5,0,0,9.6,10,0,0,0,0,0,100,"/K/",10,0,0,1,1,0.5,1,1,0.1,1,0.2,1,"/L/",0.6,0.4,0.2,10,30,0,0.67,0,95,0,50,1,"/M/",1,0,42,0,46,10,30,"BANGUI",1,0
N.B. Les décimales doivent être marquées par des points, quelle que soit la version.
Voici la clé de compréhension des valeurs ci-dessus (la même clé vaut pour les données imprimées dans les résultats) :
a) Données Météorologiques
N.B. Pour calculer la fraction solaire à partir des « heures de soleil par jour » il faut disposer de la durée du jour théorique, laquelle est facile à calculer avec le petit logiciel durjour.exe
b) Après les données météo du site, viennent les 79 paramètres d’exploitation des bassins, classés par ordre alphabétique (le même ordre que dans la liste déroulante permettant de visualiser les paramètres sur l’écran), et également par séries de 12 :
Ajout maxi bicarbonate, g/jour/m²
Ajout maxi CO2,g/jour/m²
Ajout maxi sucre, g/jour/m²
Altitude, m
Appoint d'eau : 1= possible, 0 = impossible
Azimuth du plan de la culture (degrés d'angle ; 0 = Sud; 90 = Est)
Basicité de l'eau d'appoint, gmoles/l
Basicité maxi autorisée dans le milieu, gmoles/l
Basicité du milieu neuf (> ou = basicité de l'eau), gmoles/l
Capacité de récolte maxi, g/jour/m²
Carburant (aucun = 0; CH4 = 1; C3H6 = 2;C4H8 = 3; MeOH = 4; EtOH= 5; CH4 dans biogaz = 6, CO2 dans gaz de compost)
Coefficient d'absorption du CO2, gmoles/hr/m²/atm (normal = 20)
Coefficient d'ajustement de la fonction photosynthèse (normal = 1)
Coefficient de modulation de la régulation de l'ombrage (entre 0 et 1)
Coefficient de modulation de la régulation d'aération (entre 0 et 10)
Coefficient de modulation de la vitesse du vent (entre 0 et 10)
Coeffi. de transfert thermique de l'isolant ( 0 à10 W/m²/°C)(ex: 2 cm de PS expansé = 1)
Concentration en CO2 dans l'air externe, vpm (normal = 340)
Concentration minimum en sels "fixes" (chlorures, sulfates, nitrates), g/l (= 12 – 40 x alcalinité si la salinité de l'eau = 0)
Concentration en spiruline après récolte, g/l (> 0,15)
Conc. en spiruline juste après ensemencement et après récolte finale, g/l (> ou = 0,15)
Consommation de CO2, kg/kg de spiruline (normale = 1,8)
Débit d'aération de la serre , Nm3/hr/m²; quelconque si pas de serre
Débit de carburant, g/hr/m² (quelconque si pas de carburant)
Frais fixes actualisés (amortissements, M.O., entretien...), €/m²/période de marche ; voir chapitre Prix de revient pour évaluation
Heure moyenne de la récolte
Inclinaison du plan de la culture, en degrés d'angle par rapport à l'horizontale
Isolation (pas isolé = 0; totale la nuit = 1; thermique de nuit = 2: thermique nuit et jour = 3)
Jour initial (quantième dans le mois)
Lumière maxi autorisée (en Klux) quand le bassin est à 10°C (par ex. 30)
Lampes : seuil d'allumage, Klux dans serre mesurés sous ombrage éventuel
Lampes, puissance en Klux ; si non nul, isolation totale impossible
Latitude du lieu, degrés d'angle (entre - 65 et 65 ° ; < 0 dans l'hémisphère Sud)
Mois initial (quantième dans l'année)
Nombre de jours d'arrêt de récolte consécutifs en fin de semaine (0,1,2 ou 3)
Nombre de jours consécutifs de simulation (600 maxi)
Nombre de jours d'arrêt inter-campagnes (nettoyage, entretien, redémarrage)
Nombre de jours sans ajout de bicarbonate, sucre ou CO2 en fin de campagne
pH du milieu de culture épuré recyclé (quelconque si pas de recyclage)(si < 8, pH en équilibre avec air extérieur)
pH de l'eau d'appoint (quelconque si sa basicité est nulle)
pH minimum autorisant la récolte
pH qu'on cherche à obtenir par ajout de carbone (consigne de régulation)
Pourcent de CO2 (en volume) dans le biogaz ou le gaz de compost ; quelconque si pas de biogaz ou gaz de compost; ne doit pas être nul si gaz de compost
Pourcent d'ombrage fixe (actif nuit et jour)
Pourcent d'ombrage nocturne (écran thermique)
Pourcent de la chaleur de combustion transformé en électricité
Variable supprimée : mettre une valeur quelconque
Pourcent de la pluie tombant sur la surface du bassin admis dans le bassin (cas sans serre)
Pourcent de purge quotidienne
maximum autorisé
Variable supprimée : mettre une valeur quelconque
Pourcent de la puissance des lampes contribuant au chauffage de la serre (> 32 )
Prix bicarbonate de sodium, €/kg
Prix carbonate de sodium, €/kg
Prix carburant, €/kg (quelconque si pas de carburant) (si biogaz = prix du CH4 contenu)
Prix CO2, €/kg
Prix de l'eau, €/m3
Prix de l'électricité 220 V achetée ou vendue, €/ kWh
Prix du phosphate monoammonique, €/kg
Prix du sel de cuisine, €/kg
Prix du sucre, €/kg
Prix du sulfate dipotassique, €/kg
Prix du sulfate de magnésium heptahydraté (sel d'Epsom), €/kg
Prix de l'urée, €/kg
Profondeur initiale de la culture, cm
Profondeur maximum de la culture, cm (> profondeur initiale)
Purge, ajouts carbone, eau, recyclage supprimés les jours d'arrêt de week end = 1; sinon 0
Rapport molaire CO2/base du milieu de culture initial (1 si Na2HCO3 ; 0,67 si natron)
Recyclage de milieu de culture purifié, litres/m²/jour
Rendement de récolte, % (= 100 – % de pertes dans les boues, à la récolte, au séchage et emballage)
Salinité totale de l'eau d'appoint (tds), g/litre
Salinité maximum autorisée dans le milieu de culture, g/litre
Serre (1 si le bassin est sous serre, 0 sinon)
Serre à double paroi gonflée (0 si simple paroi, 1 si double paroi)
Taux d'actualisation des coûts, %/jour
Température bassin maximum autorisée, °C
Température de réchauffage par pompe à chaleur (PAC), °C (si pas de PAC : 0)
Température de refroidissement par pompe à chaleur, °C (si pas de PAC : > 42) (si = tempér. réchauffage, le bassin est thermostaté à cette tempér.)
Valeur en eau équivalente des fonds et du bord du bassin, cm
Vitesse moyenne d'agitation, cm/s (30 = vitesse maxi normale ; > 30 ---> productivités exceptionnelles)
XYZ = Référence du cas (à mettre entre guillemets)
(Z ) Coefficient d'ajustement de la fonction respiration (normal = 1)
(ZZ) Option sur l'utilisation du carburant : si seulement pour régulation du pH = 0, si aussi pour électricité et/ou chauffage =1
Une fois écrit ce fichier, l’enregistrer sous un nom de votre choix. Au moment de l’utiliser, enregistrez-le sous C:\PERSO 1.txt (ou l’un quelconque des cinq PERSO) pour l’utiliser.
Dans la pratique, on part généralement d’un exemple existant, on le modifie à l‘écran, et on l’enregistre.
ANNEXE 1
Utilisation
Un intérêt du logiciel est de pouvoir optimiser
rapidement la marche d'une culture de spiruline fonctionnant sur un site donné,
dans des conditions climatiques données.
Il peut servir aussi comme aide à la conception d'un
projet correspondant à un objectif donné, ou comme didacticiel
("simulateur de culture").
Résultats
Ils se lisent soit sur les graphiques (attention aux
échelles), soit sur le tableau journalier.
Les concentrations en spiruline sont mesurées juste
avant la récolte, et les pH sont mesurés à 19 heures.
Application
Le modèle s'applique au cas d'un bassin à l'air libre ou
fermé par une couverture translucide, avec ventilation contrôlée. Un mode de
réalisation particulier de ce dernier cas est de tendre un film de serre par dessus
les bords du bassin [Jourdan J.P. (1993) "Solarium spirulina farm
in the Atacama desert (North Chile)", Bulletin de l'Institut
océanographique, Monaco, N° spécial 12, page 191]; un autre est constitué par le "bassin
respirant" à aération naturelle par cheminée [Fox
R.D. (1996) "Spirulina, production & potential", Edisud,
Aix-en-Provence];
une gaine en film de serre, placée horizontalement et remplie partiellement de
milieu de culture constitue aussi un mode de réalisation possible
("photobioréacteur"). Pour que la simulation s'applique il faut et il
suffit que la surface de la culture en contact avec l'atmosphère soit égale à
la surface éclairée. Le mode d'introduction de l'air est quelconque. Il n'y a
pas de limitation à l'inclinaison et à l'orientation de la surface active de la
culture (le milieu de culture peut ainsi être en écoulement sur un plan incliné
comme dans les photobioréacteurs de type Setlik). La latitude du site
d'installation doit être comprise entre les cercles polaires. Pour les climats
froids, un chauffage et/ou un double vitrage et/ou un écran thermique nocturne
facultatifs ont été prévus ; le chauffage est par combustion de carburant
propre et dans ce cas il est prévu en option la co-génération d'électricité et
le CO2 de combustion peut servir à alimenter la culture (mais attention
aux impuretés des gaz d'échappement, surtout le monoxyde de carbone qui est
toxique); même si le chauffage par combustion s’avère trop onéreux dans la
majorité des cas, on peut souvent utiliser valablement la combustion pour
apporter du CO2. Une autre option facultative est l'isolation de la culture,
avec plusieurs modes, réservés aux serres : soit isolation complète
(adiabatique) sans aération ni chauffage la nuit, soit permettant l'aération et
le chauffage la nuit seulement ou jour et nuit. On a ajouté une option (un peu
théorique car bien inadaptée aux productions artisanales !) permettant un
éclairage électrique sur les bassins. Une autre option permet de recycler du
milieu de culture après épuration (et changement du pH). Enfin il est possible
de réchauffer ou refroidir artificiellement le bassin par une pompe à chaleur.
Ces options sont détaillées ci-dessous.
Principes du calcul
Le programme simule le fonctionnement du bassin depuis
son ensemencement jusqu'à son arrêt au bout d'un nombre de jours fixé (pouvant
atteindre 18 mois). A partir d'un milieu de culture à pH donné ensemencé au
temps zéro, on calcule la croissance des spirulines heure par heure ; un bilan
thermique et un bilan carbone (absorption de CO2 de l'air + injection -
consommation) permettent de calculer, également heure par heure, la température
et le pH, qui eux-mêmes déterminent la vitesse de croissance.
La récolte a lieu chaque jour (à une heure au choix),
sauf les jours d’arrêt hebdomadaire, et elle ramène la concentration en
spiruline à une valeur au choix, sauf que la capacité de récolte journalière ne
peut dépasser une limite à fixer. Mais il n'y a pas de récolte si le pH est
inférieur à un seuil, ni pendant les week-ends (0 à 3 jours d'arrêt consécutifs
par semaine). En fin de campagne on fait une récolte totale (jusqu'à la
concentration d'ensemencement), et un certain nombre de jours sont consacrés
aux opérations d'inter-campagnes. La productivité moyenne et le prix de revient
prennent en compte ces jours d'inter-campagnes.
La température sèche de l'air ambiant et le rayonnement
absorbé par la culture sont calculés heure par heure à partir des données météo
chargées (valeurs moyennes mensuelles). La température de rosée de l'air, le
facteur de trouble et la vitesse du vent sont supposés constants en cours de
journée. Le pourcentage de nébulosité est "concentré" sur des jours
"gris" répartis uniformément sur trois périodes de dix jours à
l'intérieur de chaque mois, sans correction pour la température de l'air
ambiant ces jours-là. Un % (au choix) de la pluie pénètre dans le bassin à
l'air libre.
Une purge (de filtrat) est pratiquée pour maintenir le
niveau en cas de pluie excessive, ou pour maintenir la basicité et, si possible,
la salinité en dessous du maximum fixé. Les sels et éventuellement l'eau voulus
sont ajoutés pour maintenir la qualité du milieu de culture.
De l'eau est aussi ajoutée pour compenser l'évaporation
et maintenir le niveau entre le niveau normal (initial) et un minimum (1 cm en
dessous du niveau normal). Mais une option permet de supprimer cet
appoint, ce qui permet de simuler le cas des lacs naturels ne recevant pas
d'autre eau que la pluie, ou bien de simuler le cas de pénurie d'eau.
Indépendamment de la purge il est prévu de pouvoir
envoyer du filtrat vers un système d'épuration éliminant les matières
organiques et modifiant le pH. Un même volume est recyclé simultanément au
bassin ; il est admis que ce recyclage ne change ni la basicité ni la salinité
"fixe" (sels non carbonatés) du milieu, ni le niveau de liquide dans
le bassin, ni la température. Le pH du
recyclat est fixé librement, mais en général proche de 10. Si l'on fixe un pH
< 8, la valeur utilisée sera automatiquement celle correspondant à
l'équilibre avec l'air extérieur.
Une option permet de décider si les purges, l'appoint
d'eau, l’alimentation carbonée (CO2 pur, sucre, bicarbonate) et le recyclage
sont possibles ou non les jours d’arrêt hebdomadaire; s'ils sont possibles ces
jours-là, le volume de milieu à purger ou à épurer est filtré, et la biomasse
récupérée est remise dans le bassin.
La nuit, la culture peut être complètement isolée (à la
fois thermiquement et de l'atmosphère, avec chauffage coupé) ou partiellement (seuls les échanges convectifs et
radiatifs pouvant être supprimés ou réduits, avec aération et chauffage
maintenus). La culture peut être ombrée et/ou chauffée et/ou isolée
thermiquement. En cas d'isolation nocturne complète, les options éclairage
artificiel et la combustion sont impossibles, et une aération minime est
maintenue pour permettre la respiration (réduite à 20 % de la normale) de la
culture mais elle est négligée du point de vue effet thermique et évaporation.
Le degré d'isolation thermique partiel de la serre est réglable. Les options
double vitrage, isolation thermique et ombrage sont compatibles..
L'ombrage est supposé arrêter les échanges
thermiques radiatifs mais non convectifs. Deux types d'ombrage de jour sont
prévus, et se cumulent ; l'ombrage dit "automatique", modulable, est
automatiquement installé si les conditions de température et de lumière le
demandent; l'ombrage dit "fixe" est permanent nuit et jour. Un écran
thermique (ou "ombrage nocturne") peut être installé la nuit pour
réduire le refroidissement nocturne ; il se cumule avec l'ombrage fixe
éventuel, mais il est sans effet avec l'option isolation.
N.B. : Quand deux ombrages A et B sont
"cumulés" cela signifie que la lumière pénétrant la culture est
multipliée par (1 – ombrage A/100) x (1 – ombrage B/100).
L'aération de la serre comporte un élément fixe (< 35
Nm3/hr/m²) et un élément "automatique" modulable mis en œuvre selon
la température du bassin.
Le chauffage de la serre se fait par combustion d'un
choix de combustibles propres (dont biogaz à % de CO2 à fixer au choix),
pouvant servir simultanément d'apport de CO2 par injection de tout ou partie
des gaz de combustion dans la serre. Mais il est aussi possible de n'utiliser
qu'une fraction (pouvant être nulle) de la chaleur de combustion. La combustion
se fait nuit et jour. Dans l'option "chauffe = 0" la combustion ne
sert qu'à apporter du CO2 ; dans l'option "chauffe = 1", elle sert à
la fois à apporter du CO2 et à chauffer le bassin. La chaleur de combustion est
automatiquement débranchée du chauffage si la température du bassin dépasse
30°C. La combustion se fait avec de l'air extérieur, avec 10 % d'excès.
Les bassins ouverts ne peuvent pas être chauffés par
combustion de carburant, mais ils peuvent l'être par pompe à chaleur.
L'option pompe à chaleur est décrite dans le chapitre
suivant (CULTURE DE SPIRULINE AVEC RECHAUFFAGE MATINAL ET
REFROIDISSEMENT NOCTURNE PAR POMPE A CHALEUR).
L'option éclairage artificiel majore l'éclairement des
bassins sous serre entre 4 et 21 heures (durée maximum 16 heures) quand
l'éclairement naturel (mesuré sous ombrage éventuel) est inférieur à un seuil.
La consommation électrique des lampes est de 13 mW/lumen (soit 13
Watt/klux/m²), performance des tubes luminescents ou moyenne entre lampes
halogène et lampes horticoles HPS – ces dernières pouvant atteindre 6,5 mW/lu
lorsqu'elles sont neuves. Dans l'option isolation complète, les lampes sont
allumées de 4 heures à 21 heures. La portion de la chaleur dégagée par les
lampes admise dans la serre pour contribuer au chauffage est réglable de 32 à
100 %.
Dans le cas des bassins à l'air libre ces options ne
sont évidemment pas toutes disponibles : l'ombrage fixe et l'écran thermique
nocturne sont possibles..
La vitesse de photosynthèse peut varier selon les souches
utilisées ou les circonstances (mortalité, prédateurs) ; elle est donc
ajustable au moyen d'un coefficient.
Le programme de calcul ne tient pas compte de la
disparition de spirulines par mortalité ou du fait de prédateurs (on admet pour
ces deux cas qu'il y a recyclage du carbone à l'intérieur
de la culture).
Pour tenir compte de la production des
exopolysaccharides non inclus dans la récolte, pouvant varier selon les souches
ou les conditions, et pour tenir compte aussi des variations possibles de
composition de la spiruline suivant les souches, la consommation de CO2 par kg
de spiruline n'est pas considérée comme fixe mais comme une variable ajustable.
On doit aussi fixer le rendement de récolte qui tient
compte de la perte de spiruline dans les boues, et entre la filtration et le
stockage du produit fini.
Le programme néglige :
-
l'influence de la vitesse de circulation de l'air interne sur l'évaporation,
-
l'effet de l'ombrage du aux bords du bassin par soleil non vertical,
- les
variations de teneur en oxygène dans l'atmosphère interne,
-
l'acidification ou l'alcalinisation éventuelles du milieu sous l'effet des
nutriments (nitrates et urée),
- la
dureté éventuelle de l'eau d'appoint.
Salinité, alcalinité et pH de l'eau d'appoint sont pris
en compte, ce qui autorise l'utilisation d'eau saumâtre et/ou alcaline. On
admet que l'eau apporte le calcium nécessaire.
L'alimentation en carbone, commandée par la régulation
de pH, peut se faire soit par ajout direct dans le milieu de culture de
bicarbonate ou de sucre ou de gaz CO2 pur, soit par enrichissement en CO2 de
l'air de la serre par du gaz de compost ou une fraction des gaz de combustion;
un bilan-matières sur le CO2 entre l'entrée de l'air dans la serre et sa sortie
permet de calculer la teneur en CO2 de cet air (supposé homogène). Le calcul
tient compte du CO2 apporté par l'urée, par l'air frais d'aération et par le
recyclage. Rien n'empêche de panacher les diverses sources de carbone.
La photoinhibition de la photosynthèse à basse température
est prise en compte par l'interdiction d'opérer à température inférieure à 10°C
quand l'éclairement dépasse l'intensité limite choisie, 30 Klux par exemple ;
la photosynthèse est supposée s'annuler à température inférieure à 10°C.
Résumé des
règles de régulation thermique adoptées en serres :
(La modulation de l'aération et
l'ombrage automatique ne s'appliquent pas dans l'option d'isolation themique
nuit et jour (valeur 3), ni si les bassins sont thermostatés à la même
température nuit et jour)
·
Nuit et jour :
- Aération
= débit normal si bassin < 30°C
débit
normal + 50 x coefficient si bassin
entre 30 et 35°C
débit normal + 75 x coeff. si entre 35
et 38°C
débit normal + 100 x coeff. si >
38°C
-
Ombrage
fixe
-
Jamais
de chauffage si bassin > 30°C
·
Nuit :
- Ombrage (écran thermique) nocturne
·
Jour
:
- Ombrage automatique =
0 si bassin
< 30°C
50 % x coefficient si bassin entre
30 et 35°C
75 % x
coefficient si > 35°C, ou si < 15°C lorsque la lumière dépasse la valeur
de l'éclairement maximum autorisée.
Résumé des
règles de régulation thermique adoptées sans serre :
(La modulation de l'ombrage
automatique ne s'applique pas si les bassins sont thermostatés à la même
température nuit et jour)
·
Nuit et jour :
Ombrage
fixe
·
Nuit :
Ombrage (écran thermique) nocturne
·
Jour
:
- Ombrage automatique =
0 si bassin
< 30°C
50 % x coefficient si bassin entre 30
et 35°C
75 x coefficient si > 35°C
N.B. Pour un
bassin sans aucun dispositif d'ombrage, les coefficients doivent être fixés à
une valeur nulle.
Absorption de CO2 atmosphérique
La vitesse d'absorption est proportionnelle au
coefficient d'absorption et à la différence des pressions de vapeur de CO2 dans
l'air et sur le liquide. La pression de vapeur du CO2 sur une solution de
carbonate/bicarbonate de sodium est donnée dans la littérature. Kohl et
Riesenfield (1960) donnent dans "Gas Purification" [Kohl
A.L. et Riesenfeld F.C. (1960) "Gas Purification", McGraw-Hill Book
Co., à la page
117], une formule ayant comme variables la température, la basicité et le
rapport c (moles de CO2/mole de base), en mmHg:
pCO2 = 68,5 x b1,29x (2c - 1)² /
[(1 - c) x (333 - 1,8 x t) x (0,0487 - 0,0006 x t)]
où
b =
basicité du milieu absorbant, gmoles de base forte/litre
c =
rapport molaire CO2/base correspondant au pH du milieu
t =
température du milieu,°C
L'absorption du CO2, exprimé en g de
spiruline/jour/m² (en admettant 1,8 kg
de CO2 par kg de spiruline) est alors égale à 0,772 x ka x [0,00076 x vpm x (1
- alt/10000) - pCO2], formule
où:
ka =
coefficient d'absorption,
gmoles
de CO2 absorbés/heure/m²/atmosphère
vpm =
teneur de l'air en CO2, ppm volumiques
alt =
altitude, mètres
0,772 =
(44 x 24)/(1,8 x 760)
Le coefficient d'absorption du CO2 à travers la surface
du bassin est réglable, mais généralement il est pris égal à la valeur
expérimentale de 20 gmoles/heure/m²/atmosphère.
Le modèle combine ces deux formules pour calculer les
échanges de CO2 entre l’atmosphère et le bassin.
Respiration
La spiruline ne respire qu'en l'absence de lumière. De
jour nous admettons qu'elle ne voit la lumière que dans la couche superficielle
de hauteur égale au "Secchi" (nous avons adopté la courbe du Secchi
correspondant à la souche dite "spiralée", avec milieu de culture non
trouble) et qu'il n'y a pas respiration dans cette couche, mais qu'au-dessous
il y a respiration ; ceci suppose que le milieu est agité (homogène). On admet
que la respiration est réduite à 20 % de sa valeur normale en cas d'isolation
complète nocturne (conformément à plusieurs expériences allant dans ce
sens).
Pour quantifier la respiration normale nous utilisons les
résultats de J.F.Cornet [Cornet J.F. (1992) "Etude cinétique et
énergétique d'un photobioréacteur" Thèse de doctorat, Université de
Paris-Sud Centre d'Orsay, 27/02/1992, p. 115] pour la variation avec la température, mais pour
la valeur de base à 20°C nous prenons une moyenne entre les indications de
Cornet et celles de L. Tomaselli et al. [Tomaselli L., Giovanetti L.,
Pushparaj B. et Torzillo G. (1987) "Biotecnologie per la produzione di
spirulina", IPRA, Monografia 17 (page 21)]. Ceci est bien sûr une approximation car la respiration
dépend aussi de la teneur en hydrates de carbone dans la spiruline. Ces
hypothèses servent de base pour la simulation et elles sont représentées par le
graphique ci-dessous :
:
Respiration
en fonction de la température
N.B. Il est
possible de modifier cette courbe pour l'ajuster éventuellement à la réalité,
grâce au paramètre appelé coefficient d'ajustement de la fonction respiration =
variable N° 177 (l'avant-dernière dans la liste).
Croissance par photosynthèse
a) Concentrations en biomasse supérieures à 0,1 g/l (cas
général)
Nous admettons que la croissance de la spiruline par
photosynthèse est le produit d'un coefficient d'ajustement et de 5 facteurs
supposés indépendants et détaillés en Annexe 2 :
- facteur fonction de la salinité
- facteur fonction de la température
- facteur fonction du pH
- facteur fonction de l'éclairement
- facteur fonction du degré
d’agitation du milieu de culture
Ce postulat, qui est au cœur du programme, n'est pas
très étayé scientifiquement. La comparaison des figures 4 et 19 de la thèse de
Zarrouk autorise à admettre que la fonction de la température est indépendante
de l'éclairement ; les mesures de productivités sur nos bassins montrent que
l'influence du pH, de la température et de la lumière sont en assez bon accord
avec les hypothèses contenues dans ce postulat.
Par ailleurs ce postulat implique que la vitesse de
photosynthèse ne dépend ni de la hauteur de liquide, ni de la concentration en
spiruline, ni de la concentration en nutriments minéraux (autres que le bicarbonate),
donc que la photosynthèse est proportionnelle à la surface éclairée. Autrement
dit, nous faisons les hypothèses, largement vérifiées dans la pratique aux
concentrations considérées, que la croissance est dans la phase linéaire, non
limitée par les nutriments minéraux, avec absorption totale de la lumière
pénétrant dans le bassin. A noter que la quantité de spiruline par m² (hauteur
de liquide x concentration) a cependant une influence sur la productivité par
le biais de la respiration (cf § précédent).
Nous admettons aussi que la croissance de la spiruline
est uniquement autotrophe. Si une croissance mixotrophe, ou même éventuellement
hétérotrophe, se produit, elle sera fortement concurrencée par les organismes
hétérotrophes cohabitant avec la spiruline dans le milieu (bactéries,
zooplancton). L'erreur commise sur la croissance ne peut de toutes façons être
que par défaut. Nous admettons donc qu'en cas d'apport de carbone par le sucre,
celui-ci est oxydé en CO2 par un mécanisme quelconque.
b) Pour des concentrations en biomasse inférieures à 0,1
g/l la croissance est exponentielle, ce que le modèle traduit en multipliant la
vitesse calculée en a) par dix fois la concentration (en g/l).
Remarque sur la répartition spectrale de l'énergie
lumineuse utilisée et le rendement des lampes :
La spiruline étant capable d'utiliser un spectre très large grâce à sa richesse en divers pigments photosynthétiques, les différences de répartition spectrale entre lumières solaires sous différents angles, latitudes et altitude et lumières artificielles sont négligées. Les "klux" (de lumière visible, tels que mesurés au luxmètre) sont supposés avoir l'équivalence suivante avec la puissance totale dissipée :
10 Watt/m²/klux pour le soleil
13 Watt/m²/klux pour les lampes
modernes (type iodure ou sodium).
Données de températures et rayonnement solaire
On admet que la température ambiante
varie linéairement entre son minimum au lever du soleil et son maximum à 14
heures solaires. On calcule le rayonnement solaire absorbé par la culture comme
on le fait pour un capteur solaire avec ou sans vitrage, à partir des équations
astronomiques et thermiques classiques rappelées par exemple dans Chouard,
Michel et Simon [Chouard Ph., Michel H. et Simon M.F. (1977) "Bilan
thermique d'une maison solaire"].
.
Bilan thermique
La température de la culture est calculée par bilan
thermique entre les apports de chaleur (dont rayonnement solaire et chaleur de
combustion) et les diverses pertes thermiques (on néglige les pertes vers le
sol et les côtés du réacteur, mais on prend en compte une "valeur en eau
équivalente" du fond et des côtés en l'ajoutant à la hauteur de liquide.
On admet que la culture et l'air interne de la serre
sont homogènes en température et à la même température, et que l'inertie
thermique de l'air est négligeable, mais on tient compte de la capacité
thermique du flux d'air traversant la serre qui extrait de la chaleur par
chaleur sensible et en se saturant d'eau. Les ajouts (eau, nutriments) sont
supposés faits à la température de la culture. On tient évidemment compte des
apports de chaleur par le chauffage et les lampes.
On admet que l'ombrage réduit d'un même pourcentage le
rayonnement solaire incident et les pertes thermiques par rayonnement, sans
affecter les échanges thermiques par convexion.
On tient compte aussi de l'énergie solaire consommée par
la photosynthèse en prenant comme valeur calorifique de la spiruline 20,9 kJ/g
[Cornet J.F. (1992) "Etude cinétique et énergétique d'un
photobioréacteur" Thèse de doctorat, Université de Paris-Sud Centre
d'Orsay, 27/02/1992, page 263)|. Les pertes thermiques par convexion vers l'atmosphère et par
rayonnement vers le ciel sont calculées comme pour un capteur solaire selon les
équations classiques, par exemple celles rappelées par R. Gilles (1976) [
Gilles R. (1976), Promoclim A, N° spécial "Les piscines de plein air"
(page 269), SEDIT, Paris] et Chouard, Michel et Simon (1977) [
Chouard Ph., Michel H. et Simon M.F. (1977) "Bilan thermique d'une maison
solaire"].
On néglige l'influence de l'inclinaison éventuelle comme il est justifié
d'après P.I. Cooper [Cooper P.I. (1981) "The effect of
inclination on the heat loss from flat plate solar collectors", Solar
Energy, Vol. 27, N°5, pages 413-420].
Consommation/Production d'électricité
Pour le calcul de la consommation d'électricité pour
l'agitation (ou le pompage en cas de culture sur plan incliné), une équation
très simple et plus ou moins arbitraire a été adoptée.
En cas d'utilisation de combustible, on peut en option
produire de l'électricité par un groupe électrogène
("supercogénération" de chaleur, d'électricité et de CO2), permettant d'implanter l'installation même sur site non
raccordé au réseau électrique; un excédent d'électricité est généralement
disponible pour la vente ou d'autres usages. D'excellentes turbines à gaz
miniaturisées sont disponibles. Il faut se méfier des impuretés des gaz
d’échappement. Un simple brûleur peut donner des gaz plus purs. Le groupe
électrogène pourrait dans un futur que nous espérons proche être une pile à
combustible propre.
La puissance électrique pour l'aération a été négligée
(aération naturelle probablement suffisante), mais celle consommée par les
lampes éventuelles, très importante, est évidemment prise en compte.
L'électricité est supposée achetée et vendue au même
prix, avec raccordement à un réseau, les besoins et la production d'électricité
n'étant pas forcément en phase (surtout si des lampes ou une pompe à chaleur
sont utilisées)..
Calcul du prix de revient
Le modèle comporte un volet économique, permettant de
calculer un prix de revient, en tenant compte d'un système de coûts fournis par
l'utilisateur et actualisés au temps 0.
Le calcul du prix de revient est basé
sur les consommations spécifiques correspondant aux formules suivantes :
- formule de milieu de culture sans
nitrate contenant, en plus du sel et du carbonate et/ou du bicarbonate, par
litre de milieu : 1 g de K2SO4 + 0,02 g d'urée + 0,08 g de NH4HPO4 +
0,16 g de sulfate de Mg + 0,001 g de Fer
- formule de nourriture comprenant, en
g/kg de spiruline : 300 g d'urée + 50 NH4HPO4 + 40 K2SO4 + 30 sulfate de Mg +
0,5 Fer
-
coût
du fer (et des oligoéléments) négligé.
La semence est comptée au prix forfaitaire de 10 $ (ou
euros le cas échéant) le kilo compté en sec.
Le calcul impute les frais fixes au prorata des jours
d'utilisation (nombre de jours de marche
+ jours "intercampagne"). Si l'installation n'est pas utilisée
toute l'année, il faut en tenir compte correctement, par exemple en incluant
l'arrêt annuel dans les jours "intercampagne" .
Suggestions pour l'évaluation des
frais fixes (variable 71), en $/m²/an :
·
cas
de base : 10
·
supplément
pour récolte et de séchage = (capacité de récolte, g/j/m²)/4
·
supplément
pour recyclage = (capacité de recyclage, litres/j/m²)/2
[en général capacité de recyclage=
capacité de récolte]
Présentation des résultats
En cours de calcul un graphique
apparaît sur l'écran, donnant la récolte quotidienne et différentes autres
résultats en fonction des jours. Ce graphique peut être copié et imprimé en
passant par la copie d'écran et le presse-papier.
Les résultats complets sont édités en fin de programme,
en même temps que les données correspondantes, et peuvent être imprimés.
CULTURE DE
SPIRULINE AVEC RECHAUFFAGE MATINAL ET REFROIDISSEMENT NOCTURNE PAR POMPE A CHALEUR
Le logiciel comporte une pompe à chaleur (PAC)
fonctionnant à faible différence de température et permettant de réchauffer la
culture dès le lever du soleil à une température choisie (par exemple 30°C), et
de la refroidir à une température choisie (par exemple 15°C) le soir. Ce
système n'est généralement pas rentable mais le logiciel permet de calculer le
gain de productivité que l'on peut en attendre de ce type de gestion des
températures de bassin.
Par hypothèse la source de chaleur ou de froid de la
pompe à chaleur est infinie et la pompe travaille avec un COP (coefficient de
performance) de 10.
Si l’on spécifie une température de refroidissement par
la PAC supérieure à la température de réchauffage par la PAC, on supprime le
refroidissement par PAC (le bassin se refroidit alors seulement par
refroidissement nocturne naturel).
Si l'on spécifie la même température de réchauffage et
de refroidissement, le bassin est thermostaté à cette température.
Le réchauffage matinal est supposé se faire dès la
première heure du jour, alors qu’en réalité il s’étalerait sur au moins deux
heures ; mais la différence est très faible sur la productivité à cause de
la faible lumière au lever du soleil.
Un usage fréquent de ce logiciel est la simulation des
bassins chauffés par une source de chaleur gratuite. Dans ce cas on fixe la
température de refroidissement au-dessus de la température de chauffage pour
supprimer le refroidissement par PAC ; la consommation électrique de la PAC
doit être déduite du prix de revient ; la consommation de chaleur de
chauffage est égale à dix fois la consommation électrique de la PAC (cf §
suivant).
Il est possible de simuler une culture de spiruline bénéficiant d’un chauffage par eau chaude « gratuite » (géothermique ou résiduelle d’une centrale électrique par exemple).
Pour cela, fixer la température de chauffage du bassin pendant le jour et donner à la température de nuit une valeur supérieure (ce qui revient à couper le chauffage au coucher du soleil).
Pour connaître la chaleur de chauffage moyenne utilisée (en kWh/kg), multiplier par 10 la consommation électrique de la pompe à chaleur. La consommation de chaleur journalière est accessible en demandant l’option résultats journaliers et en multipliant par 10 la consommation électrique de la pompe à chaleur, en kWh/m², pour le jour en question.
Le prix de revient obtenu comporte le coût de l’électricité de la pompe à chaleur, qui est indiquée à part : le déduire. Ajouter éventuellement le coût de la chaleur
« gratuite ».
ANNEXE 2
Influence de la température, de la lumière,
de l'alcalinité, de la salinité et du pH sur la
photosynthèse de la spiruline
On peut admettre que la vitesse maximum de
photosynthèse, dans un bassin bien agité, et dans les meilleures conditions de
température, lumière, alcalinité, salinité et pH, est voisine de 1,8 g/heure/m²
de bassin.
Cette vitesse peut d'ailleurs varier en fonction de la
souche de spiruline et de la présence de catalyseurs.
Dans le programmes de simulation on fait l'hypothèse que
la fonction photosynthèse est directement proportionnelle à des fonctions de la
température, de l'éclairement, de la salinité, du pH et du degré d'agitation :
Vitesse de photosynthèse = k x f(T) x f(klux) x
f(salinité) x f(pH) x f(agitation)
Cette hypothèse n'a pas de vraie base scientifique, mais
elle facilite les calculs et elle ne donne pas de si mauvais résultats.
Voici quelques exemples de ces fonctions, qui sont
largement inspirées de la thèse de Zarrouk (en tenant aussi compte de résultats
expérimentaux) :
:
Vitesse photosynthèse de la spiruline en fonction de
l'éclairement d'après la thèse de Zarrouk, Fig. 3 [Zarrouk
C. "Contribution à l'étude d'une cyanophycée: influence de divers facteurs
physiques et chimiques sur la croissance et la photosynthèse de Spirulina
maxima (Setch et Gardner) Geitler", Thèse de doctorat, Faculté des
Sciences de l'Université de Paris,
06/12/1966]
Vitesse de photosynthèse de la spiruline en fonction du
pH d'après la thèse de Zarrouk, Fig. 20
Vitesse de photosynthèse de la spiruline en fonction de
la température de la culture d'après la thèse de Zarrouk, Fig 19.
Vitesse de photosynthèse de la spiruline en fonction de
la salinité du milieu d'après la thèse de Zarrouk, Tableau IV
Vitesse de photosynthèse en fonction
de l'agitation (fonction plus ou moins imaginaire, dans laquelle intervient
aussi le pH, valable pour systèmes d’agitation habituels jusqu’à la
vitesse de 30 cm/s; il est possible qu’avec des systèmes perfectionnés l’on
puisse majorer nettement la vitesse de photosynthèse, mais nous n’en avons pas
encore l’expérience : au delà de 30 cm/s la fonction est prévue pour tenir
compte de cet effet, mais sans aucune base expérimentale quantifiée)
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