L'électricité bactérienne* : des mécanismes au démonstrateur – BACTERIOPILE

BactérioPile Présentation globale Les piles à combustible bactériennes permettent de produire de l'électricité par l'oxydation directe de composés organiques à l'anode. Le concept était connu depuis les années 70, mais sans grand espoir de développement industriel à court ou moyen terme. Une rupture fondamentale est survenue en 2002 : la découverte inattendue de micro-organismes capables de catalyser les processus d'oxydation à la surface même d'électrodes de graphite. Ces bactéries extraient les électrons du combustible (acétates, glucose, composés organiques divers) et les transfèrent directement à l'anode sur laquelle elles adhèrent. La présence de médiateurs en solution, qui limitait les anciennes technologies, n'est plus nécessaire: les rendements énergétiques dépassent 80%, les densités de puissance atteignent plusieurs Watt par m2, les performances se maintiennent plusieurs mois. Ces avancées cruciales ont été accomplies par des équipes de biologistes, qui n'ont pour l'instant à leur disposition que des matériaux d'électrode et des systèmes expérimentaux traditionnels, peu adaptés aux exigences spécifiques des piles bactériennes. De plus, la faible efficacité du compartiment cathodique reste un verrou majeur pour la plupart des études reportées dans la bibliographie. Le LGC-CNRS, le CEA-Saclay (en collaboration avec le CNR-ISMAR, Italie) sont en train de construire une réponse décisive au problème de la cathode, en démontrant que des micro-organismes marins adhérés à la surface d'aciers inoxydables catalysent la réduction de l'oxygène dissous, avec des cinétiques comparables à celles obtenues sur platine massif (brevet 2002). Outre l'innovation apportée sur le processus cathodique, cette approche révèle les avantages insoupçonnés de certains aciers inoxydables. Avec l'apport de Ugine & ALZ, les partenaires ont les clés pour créer la rupture en ingénierie qui permettra d'exploiter pleinement les avancées de la biologie. Le projet propose de développer la recherche en bio-ingénierie suivant deux volets complémentaires : - construire le socle indispensable de connaissances fondamentales sur les interfaces « matériaux industriels / bactéries électro-actives », - les exploiter pour concevoir un pilote de démonstration optimal. Le projet est construit avec le souci constant d'acquérir les connaissances interdisciplinaires directement utiles à l'optimisation du pilote : - les matériaux et les traitements de surface sont de nature industrielle, - les propriétés des interfaces (matériaux et traitements de surface) sont analysées en couplant systématiquement les trois aspects : transfert d'électron, bio-adhésion, tenue à la corrosion, - les essais en culture modèle sont menés en parallèle avec les tests du prototype de pile en milieu marin, afin de relever le défi de faire progresser le plus rapidement les piles bactériennes vers un développement préindustriel. Objectifs et contexte La résurrection des piles bactériennes aux USA et en Corée Les piles à combustible bactériennes (ou microbiennes) permettent de produire de l'électricité par la dégradation directe de matières organiques. Le concept était connu depuis les années 70... surtout comme un intéressant objet académique. Depuis 2002 [1], la découverte inattendue de micro-organismes capables de catalyser les oxydations à la surface même des électrodes fait percevoir un réel intérêt économique : les travaux se multiplient, les puissances délivrées augmentent...les journaux de vulgarisation osent des articles dithyrambiques [2]. Les partenaires du projet, engagés dans cette aventure scientifique depuis le tout début, ont maintenant besoin d'une approche fondamentale en ingénierie pour évaluer le potentiel réel de la technique, identifier des secteurs d'applications et, le cas échéant, créer les bases nécessaires à son émergence industrielle. Ce sont les objectifs de ce projet. Dans les anciennes piles microbiennes (i.e. avant 2002, schéma A) les électron..