Partage de photons entre panneaux photovoltaïques et microalgues à vocation énergétique – PURPLE SUN

Le consortium rassemble sept partenaires engagés dans une réflexion prospective au service de la filière microalgues. Leurs expertises s’appuient sur les techniques modernes de design et de pilotage des serres (INRA), et mobilisent les compétences de spécialistes en microalgues (LOV et INRIA), en technologies photovoltaïques innovantes (Sunpartner Technologies et Armines), en calcul numérique et en études d’impact (ACRI et INRIA).
Ensemble, ils ont imaginé un nouveau concept de système de culture de microalgues à énergie positive, dont la vocation est d’utiliser sélectivement la lumière pour combiner la production de biomasse algale par photosynthèse et la production d’énergie photovoltaïque.
L’utilisation de panneaux photovoltaïques semi-transparents permet à la fois de maintenir la productivité biologique aux intensités lumineuses moyennes et de réduire la mortalité aux fortes intensités tout en produisant de l’électricité photovoltaïque.

Les développements technologiques du projet sont orientés selon leur coût et leurs impacts sur l'environnement. Des expériences au laboratoire et sur deux pilotes en extérieur spécialement développés permettent de mieux comprendre et maîtriser l'effet d'une lumière colorée (dépourvue de certaines longueurs d'onde) sur le taux de croissance des microalgues et leur bioaccumulation de composés d’intérêt. Les gains et les coûts sont évalués globalement à l'échelle de la serre photovoltaïque pour microalgues grâce à des outils numériques de simulation validés par les données expérimentales acquises dans les dispositifs pilotes.

Le projet a été distingué en novembre 2013 par le Conseil Général des Alpes Maritimes, le concept de serre photovoltaïque pour microalgues (MPG) s’est vu remettre le prix spécial du jury des « Trophées Climat Energie ».

D’un point de vue technologique, des panneaux photovoltaïques semi-transparents biocompatibles ont été développés. Ils s’adaptent automatiquement à la direction de la lumière solaire. Un tracker solaire original a été développé pour évaluer, en une journée de mesures, les performances d’un panneau solaire au fil des saisons.

De nombreuses expériences ont été réalisées en laboratoire pour mieux cerner l’impact de la qualité de la lumière, sa fréquence d’apport, et sa quantité, sur la croissance, la mortalité et la synthèse de composés d’intérêts.

Deux plateformes expérimentales ont été mises en place pour tester et quantifier les concepts proposés, dans des conditions réalistes où lumière et température fluctuent périodiquement.

Un simulateur numérique capable d'intégrer les effets du spectre lumineux et de la température permet maintenant de prédire correctement la productivité des cultures.

Le concept innovant de serre photovoltaïque microalgale offre une alternative à la fois aux photobioréacteurs dont le coût comme la consommation énergétique sont élevés, et aux étangs à haut rendement de type raceway, de plus faible coût, mais de moindre rendement. Le concept que nous proposons permettra d’atteindre des productivités élevées à des couts réduits.

Ces nouveaux dispositifs permettront de produire des microalgues synthétisant des molécules d’intérêt pour l’alimentation animale, les cosmétiques et les produits pharmaceutiques. A plus long terme, les microalgues constituent une filière prometteuse pour la chimie verte (engrais, bioplastique) et les bioénergies (biogaz et biodiesel). Ces micro-organismes photosynthétiques constituent en effet une solution efficace pour le recyclage du CO2 et la production de biocarburants dits de 3ème génération.

Finalement, certains des concepts qui seront développés pourront également être appliqués aux serres horticoles, qui, à l’échelle planétaire, couvrent plusieurs millions d’hectares.

Cinq publications ont été rédigées et six brevets déposés. Le projet Full Spectrum a reçu le prix spécial du jury des « Trophées Climat Energie » du conseil général des Alpes-Maritimes.

Les microalgues sont apparues ces dernières années comme une filière prometteuse pour les marchés pharmaceutiques, alimentaires, la chimie verte, les bioénergies... Les principaux développements économiques sont attendus à l'horizon de dix ans, avec notamment des biocarburants de troisième génération produits sur des terres non agricoles (marais salants, déserts, etc.), grâce au CO2 industriel et au recyclage des déchets issus de l'activité humaine. Néanmoins, pour rendre cette filière compétitive, il faut en améliorer les bilans à la fois environnementaux et économiques. L'un des défis majeurs est donc d'en réduire les coûts, notamment en minimisant l'énergie exogène requise par le fonctionnement des dispositifs de production.
Ainsi, l'objectif du projet Purple Sun est d’explorer un concept révolutionnaire : utiliser la totalité du spectre solaire pour produire à la fois de l’électricité et une biomasse algale énergétique. Ce concept repose sur le constat que les niveaux naturels d'énergie solaire induisent non seulement des mécanismes de photosaturation et de photoinhibition qui sont délétères pour le rendement photosynthétique des microalgues, mais élèvent également la température des cultures à des niveaux contreproductifs. Des expériences préliminaires réalisées sur la microalgue Dunaliella salina ont démontré que l'utilisation du film photovoltaïque Wysips (pour lequel Sunpartner a reçu le prix "Nobel Sustainability Supported Clean Tech Company 2013"), qui permet à la fois de maintenir la productivité biologique aux intensités lumineuses moyennes et de réduire la mortalité aux fortes intensités, est un moyen efficace pour dériver l'excès d'énergie solaire vers la production d'électricité photovoltaïque (PV). Ainsi, devient-il envisageable de produire l'énergie requise par le procédé de production, en accord avec les principes de la bioraffinerie. Le point clé du concept réside dans le fait que certains photons du spectre lumineux moins efficaces pour la photosynthèse peuvent être préférentiellement utilisés par un panneau PV.

Ces considérations nous ont conduits à proposer une rupture technologique forte : la serre photovoltaïque pour microalgues (MPG). Une MPG, dispositif intermédiaire entre le photobioréacteur (rendement et coût élevés) et le raceway (rendement et coût réduits), permet de bénéficier de leurs avantages respectifs (rendement élevé et cout réduit). Ce nouveau concept s’appuie sur les techniques modernes de design et de pilotage des serres (INRA), et mobilise les compétences de spécialistes en microalgues (LOV et INRIA), en technologies PV (SunPartner et Armines), en calcul numérique, et en étude d’impacts (ACRI et INRIA). Les développements technologiques du projet seront orientés en fonction de leur coût et de leurs impacts sur l'environnement. L'objectif est de déterminer le design d'un matériau semi transparent qui optimise l'utilisation globale du spectre solaire pour les productions photovoltaïque et photosynthétique. Des expériences seront menées pour mieux comprendre et maîtriser l'effet d'une lumière colorée (dépourvue de certaines longueurs d'onde) sur le taux de croissance des microalgues et leur bioaccumulation de composés énergétiques. Les gains et les coûts induits par la collecte d’une fraction des photons seront évalués à l'échelle de la MPG, grâce à des outils numériques validés par les données expérimentales acquises dans des serres "preuve de concept".

Dans ce projet, le partage de photons sera basé sur le film PV semi-transparent Wysips développé par SunPartner, mais Purple Sun aura également pour objectif de préparer la prochaine génération de film PV. Nous voulons ainsi prouver qu'il est possible d'obtenir une production photovoltaïque supérieure à 30kWh/m2/an sans compromettre la production biologique. Purple Sun fera la preuve d'une amélioration du retour sur investissement par rapport aux cultures en raceway. Il contribuera à atteindre les objectifs clés définis par l'IEED Green Stars.