Presque tous les êtres vivants sur cette planète fonctionnent grâce à l’énergie solaire. Le mécanisme est simple : les plantes transforment la lumière du soleil en énergie chimique. Les animaux mangent les plantes. Les humains mangent les animaux ou les plantes. Nous brûlons du bois, du charbon ou des cultures transformées pour obtenir de la chaleur. Le pétrole n’est qu’une biomasse ancienne qui s’est fossilisée sur des millions d’années. Même les biocarburants de première génération proviennent du maïs, de la canne à sucre ou de l’huile végétale. C’est une boucle fermée.
La boucle est rompue.
Le pétrole, c’est compliqué. Cela crée une instabilité géopolitique. Cela pollue. Les biocarburants de première génération ne sont pas neutres en carbone. Ils nécessitent de brûler d’autres combustibles pour être raffinés. Le plus gros problème est l’utilisation des terres. Lorsque vous transformez les cultures vivrières en carburant, l’offre diminue. Les prix flambent. La faim augmente. Des tensions politiques s’ensuivent.
Existe-t-il une meilleure façon ?
Les chercheurs envisagent la situation sous un angle différent. Ils veulent de l’énergie provenant des cultures sans les tuer. Ils veulent utiliser des terres qui ne conviennent pas à la nourriture. Ils veulent que les microbes fassent le gros du travail. C’est le concept central des piles à combustible végétales-microbiennes.
Les plantes sont à l’honneur. Les microbes sont blâmés. Les deux sont essentiels. Les cyanobactéries constituent la base de la chaîne alimentaire. Les microbes intestinaux nous aident à digérer. Les bactéries du sol recyclent les déchets en nutriments pour les plantes. Pendant des décennies, les scientifiques ont étudié ce métabolisme microbien. Ils voulaient récupérer l’énergie.
Dans les années 1970, ils disposaient d’un prototype.
Ces premiers appareils étaient appelés piles à combustible microbiennes. Ils génèrent de l’électricité grâce à des réactions chimiques provoquées par des microbes. La sortie est de faible puissance. Mais c’est renouvelable. Les MFC peuvent surveiller les polluants. Ils peuvent aider à purifier l’eau. Ils peuvent dessaler. Ils peuvent alimenter des capteurs distants.
Il y a une limite.
Les MFC ont besoin de nourriture. Habituellement, cette nourriture est constituée de déchets organiques présents dans les eaux usées. Les chercheurs ont réalisé quelque chose de simple. Les plantes excrètent des sucres dans le sol. C’est du gaspillage du point de vue de l’usine. C’est un carburant pour les microbes du sol. Il s’agit d’un buffet sans fin alimenté à l’énergie solaire. Pourquoi collecter les déchets quand on peut simplement se brancher sur la racine vivante ?
L’idée a fait son chemin.
En 2008, des articles ont commencé à paraître. Les premiers MFC alimentés par des centrales ont été annoncés. Le potentiel était clair. La technologie est évolutive. Dans les régions en développement, les villages pourraient devenir autosuffisants. Les fermes pourraient s’auto-alimenter. Dans les pays industrialisés, nous pourrions réduire notre empreinte carbone. Nous pourrions tirer notre énergie des zones humides. Nous pourrions utiliser des serres. Nous pourrions les intégrer dans des bioraffineries.
Cela semble trop beau pour être vrai.
Mais ce n’est qu’une nouvelle version d’une vieille idée. Ce sont des piles à combustible végétales-microbiennes. Ils sont verts. Ils sont silencieux. Ils ne font que commencer.
La chimie du pouvoir vivant
Vous pensez peut-être que l’électricité a besoin de câbles et de réseaux, mais la nature fait fonctionner ses propres micro-centrales électriques sous nos pieds depuis des lustres. Ce n’est pas magique. C’est juste de la biologie avec une touche électrique.
Les plantes sont des machines de photosynthèse très actives. Ils captent la lumière du soleil, la transforment en énergie chimique et la stockent sous forme de sucres. Mais ils ne gardent pas tout. Ils exsudent des déchets par leurs racines dans la rhizosphère. C’est la zone du sol directement influencée par les sécrétions des racines. Les bactéries y vivent. Ils mangent les sucres et les protéines que la plante crache.
Cette relation est le moteur d’une pile à combustible microbienne végétale (PMFC). L’usine fournit le combustible. Les bactéries fournissent le mécanisme. Tant que le soleil brille et que la plante reste verte, les bactéries ont un ticket repas. Et ce repas génère de l’électricité.
Oui, la première loi de la thermodynamique s’applique toujours. Vous ne pouvez pas obtenir de l’énergie à partir de rien. Le soleil est la source externe. Mais la conversion se produit là, dans la terre.
Comment les microbes transforment les aliments en courant
Alors, comment manger du sucre crée-t-il une étincelle ? C’est de la chimie. Plus précisément, il s’agit de diviser une réaction en deux.
Dans un modèle standard de combustion ou de respiration, le glucose et l’oxygène réagissent pour produire du dioxyde de carbone et de l’eau. L’équation semble claire :
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O
Mais les cellules ne font pas cela d’un seul coup. Ils le décomposent en étapes. Certaines de ces étapes intermédiaires libèrent des électrons. Les électrons sont ce dont nous avons besoin pour le courant.
Au lieu d’une réaction complète, le processus microbien se divise comme ceci :
C6H12O6 + 6H2O → 6CO2 + 24H+ + 24e-
Remarquez les électrons (e-) sur le côté droit ? Ce sont les agents libres. Ils veulent aller quelque part. Ils veulent se combiner avec l’oxygène.
Cette division définit les deux moitiés de la pile à combustible.
La première moitié se déroule dans la rhizosphère. Il fait sombre, humide et plein de bactéries qui décomposent les exsudats des racines. Les racines des plantes, les déchets et les microbes se partagent cet espace.
La seconde moitié se trouve de l’autre côté d’une membrane perméable. Dans la nature, cette membrane constitue la frontière entre le sol et l’eau. C’est riche en oxygène là-bas.
Le circuit est fermé
C’est ici que la magie opère. Les protons (H+) et les électrons (e-) de la première moitié doivent rencontrer l’oxygène pour terminer la réaction.
Dans la deuxième chambre, ils se combinent avec l’oxygène pour produire de l’eau :
6O2 + 24H+ + 24e- → 12H2O
Les protons traversent la membrane échangeuse d’ions. Cela crée une charge positive nette. Les électrons ? Ils ne peuvent pas traverser la membrane. Alors ils font un long chemin. Ils circulent à travers un fil externe pour accéder au côté oxygène.
Ce flux est actuel. Voilà. Vous venez d’alimenter quelque chose en utilisant des déchets végétaux.
Éliminer les problèmes potentiels
Cela semble parfait. Énergie propre. Aucune pièce mobile. Mais il y a des problèmes.
Nous ne comprenons pas pleinement comment les électrodes affectent l’environnement des racines. Insérer des sondes métalliques dans le sol change tout. Cela pourrait réduire la disponibilité des nutriments. Cela pourrait affaiblir le système immunitaire d’une plante. Si la plante meurt, la pile à combustible s’arrête.
Ensuite, il y a le problème de l’emplacement. Les PMFC fonctionnent mieux dans les zones humides et les terres cultivées. Ce sont des terres protégées. L’approbation environnementale pour l’installation d’électrodes dans des zones humides protégées va être un cauchemar juridique.
Cependant, il existe un potentiel positif. Les piles à combustible microbiennes présentes dans les eaux usées peuvent oxyder l’ammonium et réduire les nitrates. Le ruissellement agricole constitue un énorme problème pour les zones humides. Si les PMFC peuvent aider à nettoyer cette eau tout en produisant de l’électricité, ils pourraient compenser le risque environnemental.
C’est un compromis. Nous étudions une technologie qui pourrait soigner la terre tout en l’alimentant. Mais nous devons savoir exactement ce que ces électrodes font aux racines avant de les planter partout.
La science est solide. L’ingénierie est compliquée. L’avenir est boueux.
Les limites de l’électricité verte
Regardez une configuration PMFC en 2012. Cela ressemble à un jardin. Plus précisément, un jardin de zones humides. La mannagrass roseau, le riz, la spartine ou le roseau géant poussent dans le sol. Des fils colorés sortent de la terre. C’est le seul indice que de l’énergie est générée.
Ils ne produisent pas beaucoup d’énergie. Pas encore. Ils ne fonctionnent que dans l’eau.
Mais la science évolue. Les chercheurs sont motivés par un problème plus vaste : le conflit alimentation-énergie. Les biocarburants mettent à rude épreuve l’approvisionnement alimentaire mondial. Les PMFC offrent une issue. Ils ne nécessitent pas de drainage des rizières. Les agriculteurs peuvent continuer à cultiver de la nourriture. Les villages peuvent installer ces systèmes dans les zones humides. Les zones aux sols pauvres peuvent produire de l’électricité sans voler de terres arables.
Les serres pourraient les faire fonctionner toute l’année. Des champs ouverts ? Cela dépend de la saison.
L’énergie locale réduit le besoin d’expédier du carburant. Moins d’expédition signifie moins d’émissions de carbone. Cela ressemble à une victoire.
Il y a un goulot d’étranglement. Un gros. La plante elle-même.
La photosynthèse est inefficace. Les chloroplastes n’absorbent la lumière que dans la plage de 400 à 700 nanomètres. Cela représente 45 pour cent du rayonnement solaire. Le reste rebondit. Les plantes gaspillent le reste.
Les usines C3 et C4 gèrent cela différemment. Les plantes C3 forment d’abord des molécules à trois carbones. Ils représentent 95 pour cent des espèces. Arbres, blé, riz. Leur efficacité théorique plafonne à 4,6 pour cent. En réalité, ils en ont atteint 70 pour cent. Environ 3,2 pour cent.
Des plantes C4 ? Maïs. Canne à sucre. Ils forment des molécules à quatre carbones. Ils sont meilleurs. Limite théorique : 6 pour cent. Limite pratique : environ 4,2 pour cent.
Vient ensuite le sol. Seulement 20 pour cent de la biomasse végétale atteint la zone racinaire. La rhizosphère. À partir de là, seulement 30 pour cent deviennent de la nourriture pour les microbes. Les microbes font leur travail. Ils crachent des électrons.
Les PMFC captent 9 % de cette énergie microbienne sous forme d’électricité.
Faites le calcul.
Pour les usines C3 : 0,70 x 0,046 x 0,20 x 0,30 x 0,09.
Résultat : 0,017 % de conversion solaire-électrique.
Pour les usines C4 : 0,70 x 0,060 x 0,20 x 0,30 x 0,09.
Résultat : 0,022 pour cent.
Des petits chiffres. Mais certains chercheurs estiment que ces modèles sont trop pessimistes. Si le potentiel est plus élevé, les consommateurs gagnent.
Hydrogène Espoir
Les piles à combustible gagnent du terrain. Ils donnent aux voitures plus d’autonomie que les batteries. Ils conviennent mieux aux gros véhicules. L’intérêt a augmenté fin 2012.
Les piles à combustible à hydrogène semblent vertes. Ce n’est pas le cas. La production d’hydrogène nécessite d’énormes quantités d’électricité. Le processus n’est pas neutre en carbone. Cela va à l’encontre du but recherché.
Les PMFC produisent naturellement de l’hydrogène gazeux. Par le même processus microbien qui génère de l’électricité. Cela pourrait être la clé d’une véritable production d’hydrogène vert.
Du pétrole aux socs
Le passage du pétrole aux plantes n’est pas seulement une question de carburant. Il s’agit de l’utilisation des terres. Il s’agit de mettre un terme à la compétition entre alimentation et énergie. Les zones humides deviennent des centrales électriques. Les rizières deviennent des systèmes hybrides. Le sol travaille plus fort. La grille devient plus propre.
L’efficacité est faible. La technologie est jeune. Mais l’alternative – creuser la terre pour trouver du pétrole – semble de plus en plus obsolète. Les racines sont prêtes.
La technologie n’est pas parfaite. Les piles à combustible microbiennes végétales (PMFC) sont prises dans une lutte acharnée. Le substrat doit soutenir les racines des plantes tout en facilitant le transfert d’électrons. Ces deux objectifs s’affrontent souvent. Prenez les niveaux de pH. Si l’acidité diffère entre les deux chambres cellulaires, les ions se précipitent à travers la membrane pour équilibrer les choses. Cela court-circuite la tension. Le potentiel électrique chute. Les ingénieurs doivent résoudre ce problème.
Réparez les problèmes et le potentiel est stupéfiant. Tout dépend de la densité énergétique. Une étude de 2008 a fixé la production à 21 gigajoules par hectare par an. Cela représente 5 800 kilowattheures par 2,5 acres. Des données plus récentes suggèrent que ce nombre pourrait monter en flèche jusqu’à 1 000 gigajoules par hectare.
Pour mettre cela en perspective, considérons la ligne de base :
– Un seul baril de pétrole contient environ 6 gigajoules d’énergie chimique.
– L’Europe compte 13,7 millions d’agriculteurs. La taille moyenne des exploitations est de 12 hectares.
– Les États-Unis comptent 2 millions d’agriculteurs. La taille moyenne des exploitations est de 180 hectares.
Exécutez les chiffres. Si seulement 1 % des terres agricoles américaines et européennes passaient à la technologie des piles à combustible microbiennes végétales, le rendement serait énorme. L’Europe pourrait générer 34,5 millions de gigajoules par an. Les États-Unis pourraient atteindre 75,6 millions de gigajoules.
Comparez cela à la consommation. En 2010, les 27 pays de l’UE ont brûlé 1 759 millions de tonnes d’équivalent pétrole (TEP). Cela équivaut à 74,2 milliards de gigajoules. Soit 20,5 billions de kilowattheures. TOE est la mesure standard pour comparer les sources d’énergie. Une tonne équivalent pétrole.
Dans ce modèle simplifié, les PMFC ne sont qu’une goutte d’eau dans l’océan. Une baisse énorme, mais toujours une baisse par rapport à la demande totale. Pourtant c’est une goutte sans pollution. Il provient de champs verts, et non de cheminées ou d’éoliennes tuant des oiseaux.
Ce n’est qu’un début. Les chercheurs conçoivent des bactéries qui mangent les déchets plus rapidement. Entre 2008 et 2012, des modifications apportées à la chimie du substrat ont doublé la production électrique lors de certains tests. PlantPower, un acteur clé dans le domaine, affirme que les PMFC perfectionnés pourraient fournir 20 % de l’énergie primaire de l’Europe. Il s’agit d’une énergie tirée directement de sources naturelles non transformées.
Le coût reste l’obstacle. Ils doivent être moins chers et plus efficaces avant d’être largement adoptés. Des progrès sont en train de se produire. Les fabricants abandonnent les métaux précieux au profit des électrodes conductrices en tissu de carbone. Cela permet d’économiser de l’argent. En 2012, l’exécution d’une installation d’un mètre cube dans un laboratoire coûtait 70 dollars.
Pensez aux avantages secondaires. Élimination des polluants. Réduction des gaz à effet de serre. Si les investisseurs et les gouvernements en voient l’intérêt, les PMFC pourraient devenir les centrales électriques du futur. Ou bien ils pourraient simplement planter les graines de quelque chose d’encore meilleur.
