Site institutionnel du Laboratoire Ampère - CNRS UMR5005

Jury :
Rapporteurs
 Chantal Gondran, Professeure au Département de Chimie Moléculaire de l’Université Grenoble Alpes
 Charafeddine Jama, Professeur à l’unité Matériaux et Transformations de l’Institut Centrale de Lille

Examinateurs
 Fabrice Martin-Laurent, Directeur de recherches à l’UMR Agroécologie de Dijon, président de séance
 Nicolas Forquet, Ingénieur de recherche à l’unité de recherche REVERSAAL à l’INRAE de Lyon

Encadrement
 Christian Vollaire, Professeur au laboratoire Ampère, directeur de thèse
 Naoufel Haddour, Maître de conférences au laboratoire Ampère, encadrant de thèse

Résumé :
Les biopiles à base de plantes sont des systèmes permettant la conversion de l’énergie solaire en énergie électrique à l’aide de plantes. En effet, ces systèmes électrochimiques produisent de l’électricité à partir de l’oxydation des composés organiques libérés par les racines au cours de la croissance de la plante. De nombreuses plantes ont été utilisées mais majoritairement des plantes d’eau : plants de riz, Spartina anglica, roseaux… Le record de densité de puissance maximal est obtenu avec des plantes des marais salins et une biocathode (réduction du dioxygène catalysée par un biofilm électro-actif). Pour diminuer l’impact économique des biopiles à base de plantes, plusieurs facteurs sont étudiés dans la littérature, mais le système est très complexe, ce qui rend difficile l’identification des causes de l’impact des différents facteurs.
Dans ce contexte, la présente thèse vise l’optimisation multicritère de la technologie des biopiles à base de plante selon une approche écoresponsable, pour une application aux capteurs autonomes.
Premièrement, les biopiles à base de plantes ont été étudiées dans un contexte d’applications réelles d’alimentation de capteurs autonomes. La mise à l’échelle nécessitant un empilement de plusieurs biopiles entre elles, différentes configurations de mise en série et en parallèle ont été étudiées. L’empilement de biopiles à base de plantes en série donne les meilleures performances mais augmente l’impédance interne du système. Par ailleurs, un phénomène de polarisation inverse décrit dans la littérature intervient dans les modes de fonctionnement à forte intensité de courant. En outre, la connexion ionique entre les biopiles crée des courtcircuits lorsqu’elles sont en série, privilégiant la mise en parallèle dans le cas de plantes partageant le même sol. Une fois l’étude des empilements réalisées, la suite du travail s’est concentrée sur la gestion des faibles puissances fournies par les biopiles au moyen de systèmes électroniques. Plusieurs composants de gestion d’énergie ont été testés et sont décrits dans la littérature. Toutefois, beaucoup de ces composants (comme le BQ24550) adaptent leur impédance interne à partir de l’algorithme du « Fractional Open Circuit Voltage », qui n’est pas adapté aux systèmes très capacitifs comme les biopiles à base de plantes. Ainsi, une étude a été menée permettant de proposer des solutions qui ont été testées pour résoudre ce problème.
L’étude précédente a mis en exergue un manque de reproductibilité des résultats obtenus. Fort de ce constat, une méthodologie d’optimisation basée sur une étude multiparamétrique d’un système électrochimique utilisant un couple redox simple, le Ferrocyanure de potassium/Ferricyanure de potassium, est présentée. Grâce à ce modèle, les principaux paramètres de dimensionnement peuvent être étudiés de manière plus fine. Ainsi, il a été montré que l’épaisseur de l’anode peut être réduite en raison d’une faible limitation sur l’impédance du système. La conductivité est un paramètre clé pour l’augmentation de la puissance, mais ne devient plus limitante à partir de 11.5 mS/cm, au-delà de laquelle l’impédance est contrôlée majoritairement par les résistivités des matériaux et le transfert de charge. En outre, la distance inter-électrode est un paramètre majeur sur la résistance ohmique à la condition de faible conductivité. Enfin, par l’altération de la diffusion des ions, le sol impacte fortement la résistance ohmique, notamment lorsque les grains sont plus fins.
Enfin, un travail de réduction des coûts économiques et environnementaux de cette technologie de biopile a été entrepris. Ainsi, un nouveau matériau bio-sourcé, le biochar à base de cèdre, est substitué au feutre de carbone (ce dernier étant issu de dérivés de pétrole) et présenté dans ce rapport. Le biochar est le résidu solide de la pyrolyse de la biomasse, capable de devenir conducteur sous certaines conditions de pyrolyse. Plusieurs biomasses ont été pyrolysées à différentes températures et caractérisées par différentes méthodes. A partir de la définition d’un cahier de spécifications, seuls les biochars à base de bois, pyrolysés à 700 et 900°C, ont été sélectionnés comme potentiels candidats pour être utilisés comme anode dans des biopiles. La condition de température de 900°C ayant donné les meilleurs résultats, ce biochar a été investigué plus en profondeur et comparé avec le feutre de carbone. Dans les biopiles à base de sol, les anodes en biochar ont permis la production de 27% de plus de puissance que les anodes en feutre de carbone. Le biochar est en revanche un mauvais catalyseur de la réduction du dioxygène, bien que sa probable sélectivité de la réduction du dioxygène à 2 électrons en peroxyde d’hydrogène 𝐻2𝑂2 puisse envisager l’utilisation de ce matériau comme agent « antibiofouling ».