Pile microbienne

De fablabo



Une source d'électricité renouvelable basée sur la vie microbienne du sol.




Introduction

Contexte

WORKSHOP réalisé dans le cadre de 2DaysUp organisé par le CNAM http://www.cnam-paysdelaloire.fr/-78104.kjsp


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Atelier

La pile microbienne est une source d'énergie renouvelable basée sur la vie microbienne du sol. Certains organismes anaérobies (vivant dans un milieu pauvre en oxygène) émettent des électrons que l'on peut capter pour alimenter des circuits électroniques. C'est une source d'énergie de très basse puissance (au mieux de l'ordre du mW pour une pile d'un litre) qui convient pour des applications intermittentes comme de l'éclairage, de la mesure ou du transfert de données.

La présentation résumant le fonctionnement de la pile et les paramètres gouvernant son fonctionnement est téléchargeable Fichier:PrésentationPileMicrobienne.zip.

Des résultats de recherche sur les modèles "faisables n'importe où par n'importe qui" sont présentés ici (en anglais).

Pour des informations sur des modèles plus performants, et plus technologiquement complexes, l'exemple d'Ecobot sera un bon point de départ.

Participants

Ont contribué à cet atelier (et à la recherche citoyenne sur les piles microbiennes à base de déchets):

  • Sébastien Adam
  • Maxime Macro
  • Hubert Jeannin
  • Jean-Pierre Jandot
  • Olivier Absalon
  • Nicolas Thibault
  • Hélène Pillet
  • Stéphane Baringou
  • Ingrid Silpa
  • Bertrand Prevost
  • Dominique Ménard
  • Soizic Yoncourt
  • Théo Brigardis
  • Charlotte Knips
  • Alice Albessart
  • Frédéric Crance

Cet atelier a été co-animé par:

  • Julien Bellanger
  • Michka Mélo

Prototype #1: Pile microbienne Membrane en pomme

photo de la pile microbienne membrane pomme

Ce modèle a été conçu et construit par Nicolas Thibault et Théo Brigardis durant l'atelier "Fablab: Session Biohacking" de l'événement 2DaysUp.

Description

Cette pile se compose :

  • d'une partie anaérobie :
    • contenant en verre
    • anode : Bande de canette de coca grattée, en spirale.
    • milieu de culture : vase
  • d'une membrane :
    • Une pomme
  • d'une partie aérobie :
    • contenant en plastique
    • cathode : Bande de canette de coca grattée, en spirale.
    • milieu : eau + bicarbonate de sodium

Mesures

Immédiatement après montage:

  • Tension : 250 millivolt au départ puis 488 millivolt au bout d'une heure.
  • Courant: 40 microampères (mesuré avec une résistance de 20 Ohm).
  • Puissance maximale mesurée : 20 microwatt

Prototype #2: Intuition Pile métallo-microbienne

photo de la pile métallo-microbienne

Ce modèle a été conçu et construit par Ingrid Silpa et Frédéric Crance durant l'atelier "Fablab: Session Biohacking" de l'événement 2DaysUp.

Description

Cette pile se compose :

  • d'une partie anaérobie :
    • contenant en acier, canette de coca
    • anode : pince croco
    • milieu de culture : vase
  • d'une membrane :
    • Mousse de matelas
  • d'une partie aérobie :
    • contenant en aluminium canette
    • cathode : pince croco
    • milieu : eau + bicarbonate de sodium

Mesures

Immédiatement après montage:

  • Tension : croissante, de 292 à 450 millivolts à la fin de l'atelier
  • Courant : 20 microampères.
  • Puissance maximale mesurée : 9 microwatt.


Prototype #3: Pile Bouteille plastique

texte descriptif

Ce modèle a été conçu et construit par Thibault, Julien Bellanger et plusieurs autres participants de l'atelier "Fablab: Session Biohacking" de l'événement 2DaysUp.

Description

Cette pile se compose :

  • d'une partie anaérobie :
    • contenant en plastique
    • anode : Bande de canette d'acier grattée
    • milieu de culture : vase et liquide de composte
  • d'une membrane :
    • un mat de tissus
  • d'une partie aérobie :
    • contenant en plastique
    • cathode : Bande de canette d'acier grattée
    • milieu : eau + sel

Mesures

Immédiatement après montage:

  • Tension : 250 millivolts.
  • Pas de mesure de courant.
  • Pas de mesure de puissance.

Problèmes rencontrés

Le compartiment aérobie fuit et se vide de son eau, ce qui n'a pas permis de mesurer ni le courant ni la puissance.

Prototype #4: Pile Microbienne en bassine sans membrane

texte descriptif

Ce modèle a été conçu et construit par Hélène Pillet, Soizic Yoncourt, Alice Albessart, Stéphane Baringou, et Sébastien Adam de l'atelier "Fablab: Session Biohacking" de l'événement 2DaysUp.

Description

Cette pile se compose:

  • d'une partie anaérobie:
    • bassine en plastique (type contenant pour peinture au rouleau)
    • une anode faite de 3 canettes pliées en accordéon, soudées les unes aux autres
    • de la vase de loire comme milieu de culture
  • cette pile n'a pas de membrane
  • d'une partie aérobie:
    • eau du robinet
    • une cathode faite de 2 canettes pliées en accordéon, soudées les unes aux autres

Le montage s'effectue ainsi:

  • Utiliser une bassine horizontale en plastique comme contenant unique
  • La remplir pour moitié de vase de Loire dans laquelle on insère l'anode (3canettes)
  • On recouvre d'eau et on y plonge la cathode (2canettes)
  • Pas besoin de membrane, ça fonctionne !

Mesures

Immédiatement après montage:

  • Tension : 0,2 V
  • Intensité : 0,9 mA
  • Puissance: 180 microW

Prototype #5: Pile en trempage à membrane plastique

photo de la pile microbienne membrane pomme

Ce modèle a été conçu et construit par Charlotte Knips, Dominique Ménard, Hubert Jeannin et Bertrand Prévost de l'atelier "Fablab: Session Biohacking" de l'événement 2DaysUp.

Description

Cette pile se compose:

  • d'une partie aérobie:
    • un bac en plastique fait d'un bidon de 5L d'eau déminéralisée coupé dans le sens de la hauteur
    • d'eau du robinet
    • d'une cathode en acier de 10*7 cm, fabriquée à partir d'une canette poncée au papier de verre, puis à la Dremmel
  • d'une partie anaérobie:
    • d'un sac en plastique faisant office de membrane
    • de vase de loire
    • d'une anode identique à la cathode

Mesures

  • Tension: 0.44 V
  • Ampérage: 10 microA
  • Puissance: 4.4 microW

Résultats, Conclusions & Hypothèses issus des 5 prototypes

Matériaux

  • Electrodes
    • Canettes: certaines sont en alu, d'autres en acier, et certaines ont un revêtement isolant en plastique. Toujours tester la conductivité des électrodes, et éventuellement le caractère magnétique du matériau (l'acier est magnétique, pas l'alu).
    • Graphite sur ABS: quelques centimètres d'ABS passés intensément au crayon gris a une résistance de 4 mégaOhm.
  • Membrane
    • Etant donnée la taille de l'électrode du prototype n°1 et ses performances, la pomme a l'air de constituer une membrane fonctionnelle.
    • Etant donné, la taille de l'électrode du prototype n°5, c'est peut-être la membrane en sac en plastique qui limite le courant, en ne laissant passer que partiellement les ions H+.
    • Etant donnée la performance du prototype n°4, on peut se demander si des modèles sans membrane ne sont pas plus performants que ceux avec.
  • Electrolyte
    • L'ajout de bicarbonate dans l'eau a fait chuter la tension aux bornes du prototype n°5 de 75%. Il est probable que cette base tamponne les ions H+ nécessaire à la recombinaison à la cathode, et ralentisse ainsi le processus.
  • Contenant
    • Le contact entre les deux contenants en métal du prototype n°2, l'un en acier, l'autre en aluminium, risque de produire un effet électrolytique contribuant à la puissance de la pile, jusqu'à oxydation...

Gémométrie

  • Surface des électrodes:
    • Le prototype n°4 ayant la plus haute valeur de courant et les plus grandes électrodes (et de loin), il semblerait que la taille de l'électrode soit déterminante dans la valeur du courant.
    • En termes de voltage, il semble y avoir un optimum à un rapport de surface cathode/anode de 50%. Au delà de ce rapport, l'augmentation du voltage est très lente.

Tests Scientifiques

Des tests ont été effectués pour mieux comprendre le fonctionnement de la pile.

Isolation des deux pôles de la pile

Ce test permet de vérifier que l'interaction ionique entre les pôles est essentielle au fonctionnement de la pile.

  • Méthode:
    • Placer un peu de vase dans un contenant.
    • Placer de l'eau dans un autre contenant indépendant.
    • Mesurer la différence de potentiel entre les deux contenants.
  • Résultat: pas de différence de potentiel.
  • Conclusion: la connexion ionique entre les deux pôle de la pile est nécessaire à son fonctionnement.

Recherche Future

Tests Scientifiques

Pour comprendre le fonctionnement de la pile.

  • Passer la vase au micro-onde ou au chlore: ce test permettrait de vérifier que c'est bien les microbes qui produisent l'électricité, et pas un effet électrolytique entre les électrodes, ou entre les ions métalliques contenus dans le milieu.
  • Suivre le pH dans les deux compartiments, et corréler les mesures à la puissance de la pile, car l'acidité pourrait nuire au bon fonctionnement de la pile.

Nouveaux prototypes

  • Nouveaux matériaux:
    • de membrane:
      • acétate, ou cellophane, film plastique perméable à la vapeur d'eau et imperméable à l'oxygène, que l'on trouve sur les barquettes de viande
    • d'électrodes:
      • graphite, en coloriant abondamment au crayon de bois une surface comme du bois
      • feuille de papier carbone
      • mat de carbone
  • Identifier les espèces et conditions de culture pour une puissance optimale.