À l’heure actuelle, les piles à combustible microbiennes sont principalement utilisées dans les laboratoires de recherche pour produire de l’électricité. Pour que des applications industrielles soient envisagées à l’avenir, les piles à combustible doivent être développées davantage afin qu’elles puissent produire des quantités d’électricité systématiquement plus élevées qu’actuellement.
Dans une récente étude publiée dans la revue Biotechnologie pour les biocarburants et les bioproduits, une équipe de recherche de l’Université de Bayreuth a étudié les facteurs jouant un rôle à cet égard. Le choix du matériau d’électrode s’est avéré particulièrement important pour augmenter la stabilité et les performances.
Le circuit électrique des piles à combustible microbiennes est maintenu en fonctionnement par le métabolisme des micro-organismes : ceux-ci se nourrissent de composés organiques, libérant des électrons qui sont transférés à l’anode de la pile à combustible et de là à la cathode. L’équipe de recherche de Bayreuth a testé deux matériaux d’électrode différents dans ses recherches sur l’optimisation des piles à combustible microbiennes : le feutre de carbone et le treillis en acier inoxydable modifié.
Les meilleurs résultats ont été obtenus lorsque les électrodes des cellules étaient constituées d’un treillis en acier inoxydable, dont la surface a été modifiée avec du noir de carbone hautement conducteur et un liant polymère respectueux de l’environnement. La distance optimale entre l’anode et la cathode était d’environ quatre centimètres. Cela a généré de manière fiable des quantités d’électricité qui peuvent être utilisées dans la pratique, par exemple, pour alimenter des capteurs de surveillance environnementale dans des régions éloignées, sans être connectées au réseau électrique.
De telles piles à combustible permettent également de dépolluer des sols contaminés par des hydrocarbures pétroliers tout en produisant simultanément de l’énergie électrique. Comme le montre l’étude, l’efficacité de telles stratégies de détoxification peut être considérablement augmentée si les électrodes appropriées sont disponibles pour capturer les électrons métaboliques.
« Les performances nettement supérieures que nous avons pu obtenir avec la pile à combustible microbienne utilisant les électrodes nouvellement développées peuvent s’expliquer par le fait que ce matériau offre une plus grande surface spécifique avec laquelle les micro-organismes peuvent interagir et des caractéristiques capacitives pour stocker en interne la bioélectricité. Par conséquent, le nombre d’électrons libérés du métabolisme microbien qui entrent dans le circuit est particulièrement élevé ici », explique le premier auteur de l’étude, Meshack Imologie Simeon.
En tant que doctorant dans le groupe de recherche Bioprocess Engineering de l’Université de Bayreuth, il étudie les possibilités de production d’énergie durable basée sur la bioélectricité. Il a d’abord pris contact avec des scientifiques travaillant sur ce sujet à Bayreuth alors qu’il était étudiant en master à l’Université d’Ibadan et assistant de recherche à l’Université fédérale de technologie de Minna, au Nigeria.
Comme le montre l’étude, la stabilité des piles à combustible et la quantité d’électricité générée sont également influencées par les intervalles de temps auxquels les micro-organismes sont alimentés. Une alimentation flexible dans le temps qui s’enclenche lorsqu’un affaiblissement de la production d’électricité devient perceptible s’est avérée particulièrement efficace. Il a été constaté que cela contribuait davantage à une augmentation des performances de la pile à combustible qu’une alimentation régulière à intervalles de temps égaux.
L’équipe de recherche de Bayreuth a mené ses études sur une pile à combustible basée sur le sol (Soil Microbial Fuel Cells) : Ce type de pile à combustible fonctionne avec des bactéries et d’autres micro-organismes, comme ceux que l’on trouve dans les sols arables ou forestiers. Pour identifier les différents types de micro-organismes impliqués dans la production d’énergie dans la pile à combustible, des séquences d’ADN microbien ont été extraites des électrodes.
Ces séquences ont été analysées pour leur origine sous la direction du Dr Alfons Weig au Laboratoire central d’analyse de l’ADN de l’Université de Bayreuth. Les protéobactéries représentaient la plus grande proportion, mais une autre souche bactérienne, Firmicutes, était également fréquemment représentée.
« Nos études montrent que les sols naturels contiennent un mélange de différentes souches bactériennes capables de transfert direct d’électrons et pouvant être utilisées dans les piles à combustible pour générer de la bioélectricité. Pour autant que nous ayons pu le déterminer, le rapport de ces souches dans le mélange n’a pas d’influence significative sur la stabilité et les performances de la pile à combustible. La plus grande influence est exercée par les matériaux des électrodes, dont dépendent la résistance ohmique dans le circuit et la capacité électrique des piles à combustible », souligne le professeur Ruth Freitag , chaire de génie des bioprocédés à l’Université de Bayreuth.
Plus d’information:
Imologie Meshack Simeon et al, Optimisation de la pile à combustible microbienne du sol pour la production durable de bioélectricité : effets combinés du matériau d’électrode, de l’espacement des électrodes et de la fréquence d’alimentation du substrat sur la production d’énergie et la diversité de la communauté microbienne, Biotechnologie pour les biocarburants et les bioproduits (2022). DOI : 10.1186/s13068-022-02224-9