Décryptage : les piles à bactéries

15 commentaires

un étudiant regarde la lumière générée par une pile à bactéries J'ai entendu parler pour la toute première fois des piles à bactéries (aussi appelées piles microbiennes, ou MFC en anglais pour "Microbial Fuel Cells") il y a 4 ans sur un blog : Alamain.info : Le pouvoir de l’urine (la bioelectricité). Cette technologie permet de capter l'énergie produite par la respiration de bactéries et transformer les déchets organiques en électricité ! Depuis, j'attends avec impatience l'apparition de stations d'épuration-centrales électriques. Voici donc comment fonctionnent ces piles à bactéries.

Les êtres vivants produisent de l'électricité

Comme tout être vivant, les bactéries puisent leur énergie dans la respiration cellulaire. Il s'agit d'oxyder les nutriments en présence d'un accepteur d'électrons (dans le cas de l'homme, le glucose est oxydé en présence de dioxygène O2). La respiration permet de récupérer l'énergie chimique des nutriments pour la convertir en ATP, une molécule qui met cette énergie à disposition des processus métaboliques. D'un point de vue chimique, la respiration cellulaire n'est autre qu'une cascade de réactions d'oxydoréduction, des réactions de transfert d'électrons d'une molécule à une autre. Or l'électricité est justement un flux d'électron. Tout l'enjeu de la pile à bactérie réside donc dans la récupération de ce potentiel électrochimique biologique.

Il existe plusieurs sortes de respiration cellulaires dépendant du type de bactérie. Les bactéries aérobies vivent dans des milieux très aérés et utilisent l'oxygène O2 de l'air comme accepteur d'électron. Les bactéries vivant dans des milieux pauvres ou exempts d'oxygène sont dites anaérobies et utilisent des composés solubles comme accepteurs d'électrons (sulfates, nitrates, CO2, fumarate...). Enfin, il existe des bactéries spéciales, appelées exoelectrogènes, qui ont la capacité de donner leur électron final à un conducteur solide. Cette particularité a permis la conception de piles à bactéries d'efficacité prometteuses.


Les piles à bactéries pour récupérer un potentiel électrique produit biologiquement

D'un point de vue global, les piles à bactéries fonctionnent comme n'importe quelle pile et se rapprochent beaucoup des piles à combustible (cf. figure 1). Deux compartiments sont séparés par une membrane échangeuse d'ions (qui ne laisse passer qu'une catégorie d'entités chargées). D'un côté, une réaction d'oxydation fournit des électrons e- à l'anode et des cations (entités chargées positivement, H+ dans le cas de la pile à combustible) dans le milieu. Dans l'autre compartiment, sur la cathode, une réduction consomme ces électrons et ces cations. Ceci génère un flux de cations traversant la membrane dans le milieu aqueux, ainsi qu'un flux d'électrons dans le matériau conducteur reliant l'anode et la cathode : du courant électrique.

schéma de la pile à combustibleschéma de la pile à bactéries

Dans une pile à bactéries (cf. figure 2), l'anode, colonisée par des bactéries exoelectrogènes, est plongée dans un compartiment alimenté en un substrat organique, en milieu strictement anaérobique (absence totale de dioxygène). En respirant, ces bactéries consomment le substrat et produisent du CO2, un proton H+ et un électron e-. Elles cèdent ce dernier à l'anode. Il parcourt alors le matériau conducteur pour rejoindre la cathode, laquelle plonge dans un second compartiment contenant un milieu oxygéné. En parallèle, le proton rejoint également la cathode à travers une membrane échangeuse d'ions. Enfin, sur la cathode, l'électron et le proton réagissent avec O2 pour former de l'eau. C'est ainsi qu'est généré le courant électrique.

L'intérêt des bactéries dans ce processus réside dans la respiration cellulaire. Celle-ci catalyse la réaction d'oxydation et favorise le mouvement des électrons. L'oxydation du substrat en l'absence de bactéries est possible, mais suivant une réaction extrêmement lente. Grâce à l'action des bactéries, il est possible de récupérer, sous forme d'électricité, l'énergie chimique contenue dans la matière organique, telle que le sucre, l'amidon, la cellulose, ou encore les eaux usées.


Une technologie au fort potentiel à développer

Dans les stations d'épuration, des bactéries sont utilisées pour décomposer la matière organique contenue dans les eaux usées. Les conditions dans lesquelles ce procédé se déroule est totalement compatible avec la mise en place d'une pile à bactérie : milieu anaérobie, bactéries exoelectrogènes, substrat riche en énergie chimique... D'après des estimations basées sur les performances actuelles de la technologie, une pile à bactérie alimentée par un flux continu d'eaux usées pourrait produire jusqu'à 15,5 watts par mètre cube d'effluent. Pour une station d'épuration alimentée par 100 000 personnes, cela représenterait une production de 0,8 megawatt, soit la consommation électrique de 500 foyers. Cependant, de nombreux verrous technologiques subsistent, tels que la grande surface de l'électrode nécessaire une telle installation (les bactéries doivent être en contact direct avec l'anode), ou encore l'optimisation des flux transportant les nutriments vers les bactéries.

Plutôt que d'alimenter les piles à bactéries avec des substrats issus de l'activité humaine, d'autres recherches se tournent vers l'utilisation de la lumière du soleil comme source d'énergie. Des piles à bactéries ont été mises au point, alimentées par un système de symbiose entre bactéries et végétaux. Il est également possible d'imaginer des piles à bactéries photosynthétiques, utilisant la photosynthèse comme mécanisme de respiration cellulaire.

Un autre exemple d'application est envisagé pour les milieux marins. La pile à bactérie pourrait fournir en énergie de petites unités autonomes, par exemple des équipements de surveillance. L'anode serait enterrée sous les sédiments marins tandis que la cathode reposerait à la surface du sol.

Le potentiel de cette technologie est considérable, bien que d'importantes optimisations et un gros effort de recherche sont encore nécessaires pour que les piles à bactéries puissent voir le jour à grande échelle. Vous souhaitez faire le test vous-même ? Vous avez le choix entre des kit disponibles sur le marché ou les solutions DIY !

15 commentaires

#1 msalomez -

Merci, cela m'a aidé à mieux comprendre le fonctionnement des piles microbiennes! keep on!!!

#2 Thomas -

Tout d'abord votre site est vraiment bien fais et très explicatif. Je suis un élève de 1ere S qui fais sont TPE sur ce sujet. Avez vous d'autre liens pour complémenter mes recherches

#3 Dany -

Bonjour @Thomas.
Merci pour ton intérêt et toutes mes excuses pour le délais de réponse.
Je te conseille d'abord de faire tes recherches en anglais en utilisant le mot clé "microbial fuel cells". Tu obtiendras beaucoup plus de résultats qu'en français. Ensuite, tu peux aussi tenter de contacter des chercheurs du CNRS qui travaillent sur le sujet. Voici 2 articles publiés par le CNRS qui te donneront quelques noms :
https://lejournal.cnrs.fr/articles/le-bel-avenir-des-biopiles
http://www.cnrs.fr/chimie2_0/spip0103.html?article203
Je te souhaite bonne chance dans tes travaux.

#4 Specenier -

Bonjour oui mais quel matériel utiliser ?

#5 Dany -

C'est une question que je me suis posée et à laquelle je n'ai pas véritablement de réponse.
Il existe des kits complets, mais qui me semblent limités : http://www.fuelcellstore.com/mudwatt-microbial-fuel-cell-kit
Sinon, il y a aussi la méthode artisanale : http://www.instructables.com/id/DIY-Microbial-Fuel-Cell-easy/

#6 Trehun -

Bonjour
Une pile" hybride" peut être construite à partir d'une anode en zinc 8cm*8cm, d'une couche de compost de 1cm d'épaisseur, et d'une cathode en fibre de carbone ou d'un fil de cuivre serpentant dans du charbon de bois activé. l'ensemble est ensuite recouvert de mousse ( de forêt) . Quatre cellules de cette taille montées en série ont alimenté une led , jour et nuit pendant 1 an. montage à la portée de n'importe quel bricoleur.

#7 Dany -

Merci beaucoup pour ce retour d'expérience !
A tester. Avis aux bricoleurs.

#8 trehun -

Bonjour, j'ai baptisé cette pile "hybride" car je pense que les bactéries servent plutôt à dépolariser l'anode en zinc ? La nature du compost a peu d'importance, le montage fonctionne même avec du yaourt, de la tourbe, de la vase de mare. L'épaisseur joue sur la résistance interne. Attention deux diodes led "épuisent" la pile en quelques semaines.
Je suis intéressé par toute expérience sur ce thème, à ces conditions
; Matériaux communs, peu coûteux, non dangereux.

#9 Alexis -

Bonjour, je suis moi aussi un élève de premeire S qui fait mon TPE sur le sujet et me suis beaucoup inspirer de votre site genial pour expliquer mon projet. Cependant lors de la réalisation de ma pile, je n'arrive pas à obtenir d'amperage... Nous avons essayé de metre une couche de vase dans laquelle est plongee une anode en canette d'aluminium, surperposée d'une couche de sable suivie d'un couche d'eau. Notre cathode est aussi en canette d'aluminum et est en contact avec l'eau et l'air, mais toujours rien! Avez vous la solution a mon probleme?

#10 Dany -

Bonjour Alexis,
Je ne suis pas spécialiste de l'électrochimie et mes connaissances sur le sujet sont assez lointaines... A mon avis, ton problème vient du choix de l'aluminium. La nature de l'électrode est importante. Essaye plutôt avec une anode en graphite et une cathode en platine. C'est celles qui sont habituellement choisies dans ce cas. Si le platine est trop difficile à trouver, tu peux aussi tester avec du fer rouillé (Fe2O3). Certaines publications disent que ça peut marcher. Mais ton bout de fer va se dégrader rapidement dans l'eau.
Tu peux aussi tester avec une anode en zinc et et une cathode en cuivre comme l'a conseillé Trehun, mais dans ce cas, ton courant ne sera pas dû à l'action des bactéries mais à la différence de potentiel redox entre les 2 métaux.
Tiens-nous informés des résultats de tes expériences !

#11 Trehun -

Bonjour Alexis,
Je partage l'analyse de Dany. Il existe une excellente doc. du lycée Jay de Beaufort à Périgueux ( sur internet). Je me suis inspiré de leur compte-rendu de T.P pour mes propres recherches. Le débit de la pile est lié à la surface réelle des électrodes, d'où l'utilisation de matériaux poreux notamment pour la cathode = graphite ou charbon de bois activé pour aquarium, supérieur au cuivre.
Alu/Alu = potentiel redox 0 V. Qui plus est probablement petite surface ? + trop de distance entre les électrodes ?+ manque d'oxygène à la cathode = débit microscopique. La référence de Dany sur l'usage du fer rouillé, est , je crois issue d'une expérience faite à Madagascar, qui utilise le couple fer rouillé / graphite, mais avec de l'eau de mer, ce qui est encore différent. Suis toujours intéressé par vos résultats.

#12 Trehun -

Derniers résultats : suite à une "réparation"
Pour une cellule de 25*35cm, anode en zinc, 1cm de terreau de jardin en sac, cathode tissus de carbone + 1cm de charbon de bois activé en surface = 1v sans débit et 100mA en court-circuit
A quand 1ampère c/c ?

#13 b2a -

Bonjour, pourriez vous préciser le nom des bactéries utilisables pour cette expérience s'il vous plaît?
merci d'avance

#14 Dany -

Bonjour. Il s'agit d'un consortium de bactéries qui peut énormément varier d'une expérience à l'autre. Leur nature n'est pas maitrisée. Je serais donc bien incapable de vous donner un nom !

#15 Trehun -

Bonjour b2a
Je ne sais si la question m'est adressée, mais il me semble que la nature des bactéries n'est pas critique. Comme je l'écris plus haut, le montage que j'ai testé, fonctionne avec du compost de jardin, de la vase de mare, du crottin de cheval, du yaourt… il semble même que l'on peut aussi tester le fromage! je suis toujours intéressé par les expériences sur ce thème. A bientôt j'espère.

Écrire un commentaire

Vérification anti-spam