PROBIOREN: Control and optimization for the biomass production from microalgae as renewable energy source

Resumen

El proyecto se centra en la aplicación de técnicas de modelado y control para la producción óptima de biomasa/biodiesel en fotobiorreactores raceway con el fin de ser competitivos en el sector del mercado energético. El principal objetivo consiste en alcanzar las condiciones de entorno óptimas para que las microalgas puedan crecer y producir biomasa para própositos energéticos, así como alcanzar un balance entre la energía requerida en el proceso de crecimiento de las microalgas, la inyección de CO2 y la recuperación de costes a través de la biomasa-biodiesel resultantes. Considerando la fuerte y compleja dinámica no lineal de estos procesos, se plantea el desarrollo e implementación de diversas técnias de control para alcanzar estos objetivos. Concretamente se pretenden evaluar técnicas de control basadas en eventos, control reset, por adelanto y fraccional combinadas con el uso de técnicas de control predictivo jerárquico. Por otro lado, se obtendrán modelos no lineales, estimados y predictores para las variables más representativas de los fotobiorreactores. Por tanto, los principales objetivos del proyecto son:

1. Desarrollo de un marco de estrategias de modelado para la obtención de modelos no lineales que permitan capturar la dinámica de la producción de biomasa microalgal en fotobiorreactores raceway para ser usada con fines de energías renovables.

2. Desarrollo de estrategias de control de bajo y alto nivel (principalmente control basado en eventos, control reset, control fraccional y control predictivo) para la producción óptima de biomasa en fotobiorreactores raceway, con el objetivo de reducir costes y ser competitivos en el sector del mercado energético, contribuyendo a la reducción de la contaminación medioambiental al mismo tiempo.

3. Implementación y validación de las estrategias de modelado y control desarrolladas en dos fotobiorreactores industriales raceway.

Esta propuesta constituye la continuación de una nueva línea de investigación sobre la producción de biomasa a partir de microalgas cultivadas en fotobiorreactores, que fue abierta por los grupos de investigación solicitantes en un proyecto de investigación previo relacionado con fotobiorreactores tubulares. Los grupos implicados poseen una fuerte colaboración mediante proyectos y publicaciones conjuntas, con un destacable número de artículos científicos en revistas de prestigio internacional. Por otro lado, varios integrantes de los grupos de investigación poseen gran experirencia en el campo de los fotobiorreactores, lo que hace destacar el carácter multidisciplinar del equipo de trabajo planteado. Además, cabe remarcar el alcance internacional del proyecto con la presencia de tres investigadores europeos (Suecia e Italia) y un investigador de Estados Unidos. De la misma forma, la temática del proyecto se encuentra enmarcada en las líneas estratégicas de la Unión Europea y del Plan Estatal de investigación, dentro de los retos de Energía Segura, Eficiente y Limpia, formando parte de una línea de investigación de candente actualidad. En este sentido, la consecución de los objetivos planteados tendría una contribución significativa en este campo emergente de las nuevas energía renovables, y permitiría tener un impacto real en la competitivad de este tipo de procesos en el sector del mercado energético. Debido a ello, varias compañías y centros de investigación han mostrado su interés por esta propuesta, tales como Aqualia, AlgaEnergy, Holcim o CIESOL.

Summary

The project deals with the application of modelling and control approaches for the optimal biomass/biofuel production in raceway photobioreactors to be competitive in the energy sector market. The main goal consists in reaching a near optimal environment for microalgae to grow, multiply, and produce biomass, together with an assessment of the balance between the requested energy to maintain an optimal microalgae growth, the injected CO2, and the recovered costs through biomass-biofuel. According to the nonlinear dynamics, and the complex and hierarchical nature of these processes, different control approaches will be evaluated to reach the proposed objectives. Event-based, reset, and fractional control approaches together with hierarchical model predictive control algorithms will be used to achieve an efficient microalgae biomass production in raceway photobioreactors. Moreover, nonlinear models, estimators and predictors of the main photobioreactor variables will be developed. Thus, the main objectives of the coordinated project are:

1. Development of a modelling framework to obtain nonlinear dynamical models for microalgal biomass production based on raceway photobioreactors to be used for renewable energy purposes. The resulting models will be used for reactor design and control design purposes.

2. Development of low-level and high-level control strategies (mainly event-based, reset, fractional, and model predictive control algorithms) for the optimal biomass production in raceway photobioreactors looking for reducing costs and being competitive in the energy sector market, and contributing at the same time in the mitigation of the environment pollution.

3. Implementation and validation of the developed modelling and control strategies in different experimental plants with clear industrial relevance. Concretely, two industrial raceway photobioreactors will be mainly considered for this purpose.

This proposal constitutes the continuation of a new reseach line on biomass prodcution from micralgae in photobioreactors, that was opened for the applicant control engineering groups in a previous reseach project focused on tubular photobioreactors. The applicant groups have had a strong collaboration during the last years through research projects and joint publications. The team has a remarkable experience in control systems backed by many papers published in some of the most cited scientific journals. On the other hand, the multidisciplinarity of the group is complemented with researchers with strong background in microalgal biomass production by photobiorreactors. Moreover, the international collaboration is fostered in the project because three relevant researchers from two

European universities (Swedish and Italian) and one researcher from Arizona State University (USA) belonging to the control engineering field take part in the proposal. On the other hand, the project topic belongs to the strategic research lines of the European Union and the National Research Plan, within the challenge on Secure, Efficient and Clean Enegy and thus being a hot research topic. Hence, the fulfilment of the proposed objectives would be a significant contribution in this emerging renewable energy field and it would have a real impact in the energy market competitivity of this type of processes. Consequently, this proposal has risen the interest of different companies and research centers such as Aqualia, AlgaEnery, Holcim or CIESOL.