Le secteur de l’énergie s’inspire de la nature

01 03 2021
Olivier Mary
D.R.
L’industrie de l’énergie prend de plus en plus exemple sur le vivant afin de développer de nouvelles technologies.

Imiter la nature peut être une solution pour créer de nouvelles technologies, y compris dans le secteur de l’énergie. Que ce soit dans l’éolien, le solaire ou les énergies marines, les industriels mènent des recherches basées sur le biomimétisme.

« Va prendre tes leçons dans la nature, c’est là qu’est notre futur », écrivait Léonard de Vinci au XVIème siècle. S’inspirer de quatre milliards d’années d’évolution de la nature pour les mettre au service de l’ingénierie n’est pas une idée nouvelle. Ce sont quelques siècles plus tard qu’elle s’industrialisera. En 1948, un ingénieur suisse inventait le velcro en s’inspirant de fruits de bardane qui ont la capacité de s’accrocher un peu partout grâce à leurs crochets déformables. Le concept de biomimétisme naîtra cinquante ans plus tard. Il a été popularisé par la scientifique américaine Janine Benyus qui invite à considérer la nature comme « modèle, mesure et mentor » et insiste sur l’importance d’associer soutenabilité et biomimétisme. Celui-ci peut s’inspirer des formes, matières, propriétés, processus et fonctions du vivant de l’échelle moléculaire jusqu’à celle de l’écosystème. « Il y a deux façons de faire de la bio-inspiration. Soit en se basant sur un système vivant identifié qui peut répondre à une problématique, soit en partant d’une problématique et en trouvant un système vivant qui pourrait y répondre », explique Tarik Chekchak, directeur du pôle biomimétisme à l’Institut des futurs souhaitables*. Quelles que soient leurs démarches, les industriels de l’énergie prennent de plus en plus le vivant pour modèle afin de développer de nouvelles technologies.

L’hydraulique copie les poissons

La filière hydraulique est celle qui emprunte le plus à la nature. Eel Energy est entièrement basée sur le biomimétisme. L’entreprise basée dans les Hauts-de-France travaille depuis huit ans à mettre en œuvre une hydrolienne à membrane ondulante qui imite les mouvements de l’anguille. « Notre projet repose sur une membrane que l’on a contrainte et qui ondule sous la force de l’eau. Un mat est accroché au bout afin de transmettre la force à un générateur situé en surface », détaille Franck Sylvain, PDG de Eel Energy. Cet appareil réalisé entièrement en matériaux recyclables présente de nombreux avantages par rapport aux hydroliennes à hélices classiques. À encombrement égal, il récupère plus d’énergie car sa surface de captation est beaucoup plus importante. Ensuite, il perturbe très peu le milieu car il trouble beaucoup moins le flux qu’une hélice. Cet avantage permettrait d’installer des machines très proches les unes des autres et de créer des parcs importants sur des surfaces limitées. En outre, les algues ont peu de chances de bloquer cette structure qui nécessitera donc moins de maintenance.
Enfin, il est impossible qu’un poisson ou qu’un mammifère se blesse à cause de cet équipement. « Notre hydrolienne peut fonctionner avec un courant très faible (0,7 à 0,8 m/s) mais elle est plus adaptée à des vitesses comprises entre 1,5 et 2 m/s pour des raisons de coûts », précise Franck Sylvain. Sur des courants marins de 4 ou 5 m/s, il serait nécessaire d’installer de très grosses machines de trente mètres et de 3 MW (le prototype développé actuellement fait 4 kW). En fonction de la force du courant, le coût de l’électricité est évalué entre 100 et 200 €/MWh par la société. Une membrane fonctionne depuis plus de six mois dans un canal à Gravelines. Une deuxième machine sera mise à l’eau prochainement à proximité.

Production et traitement antifouling

BioStream s’inspire de son côté de la forme et du mouvement de la queue du thon pour produire de l’électricité à partir des courants marins. Ce système développé par l’entreprise australienne BioPower Systems repose sur un principe assez simple : la queue fixée sur un mât tourne de gauche à droite comme une girouette. Ce système d’une puissance unitaire maximale de 0,5 à 2 MW serait capable de fonctionner avec un courant maximum de 2,5 m/s. bioWAVE, développé par la même entreprise, imite pour sa part l’oscillation des algues au moyen de flotteurs. Il pourrait être installé à des profondeurs de 40 à 45 m, pour une puissance de 1 MW. Le biomimétisme n’est toutefois pas réservé à la production électrique. Il est possible d’en tirer autre chose. « Nous étudions des solutions pour créer un revêtement inspiré par la peau de requin pour des câbles éoliens offshore. Ces traitements de surface pourraient remplacer des traitements antifouling chimiques destinés à empêcher les organismes aquatiques de s’y fixer », révèle Gabriel Bareux, directeur R&D chez RTE.

Les EnR imitent aussi plantes et oiseaux

Festo
Dual Wing Generator est une éolienne qui s’inspire des battements d’ailes des oiseaux.

L’éolien profite aussi de l’expérience accumulée par la nature. Logiquement, les oiseaux représentent l’inspiration première. Festo travaille sur Dual Wing Generator, une éolienne qui prend pour exemple des battements d’ailes. Elle est capable de prélever l’énergie cinétique dans l’air. Le mouvement ascensionnel linéaire des ailes est converti en un mouvement rotatoire. Un générateur électrique intégré transforme l’énergie en courant électrique. L’appareil resterait efficace même lorsque le vent est faible : entre 4 et 8 m/s, l’installation offrirait un degré de rendement très élevé. Chez Enercon, on s’inspire aussi des ailes d’oiseaux, en l’occurrence du hibou, mais pour rendre les éoliennes traditionnelles moins bruyantes. Des chercheurs ont constaté que les plumes de l’animal sont flexibles sur les bords d’attaque, et poreuses et élastiques sur les bords de fuite. Cela permet au rapace de rester silencieux lorsqu’il chasse. La marque allemande a donc posé des sortes de peignes sur les pales afin de leur donner la même propriété et de réduire le bruit de quelques décibels.
S’inspirer du monde marin pour améliorer le rendement des éoliennes peut paraitre plus incongru. Toutefois, c’est le choix opéré par WhalePower Corporation. La société a été créée par un biologiste qui a montré que les bosses présentes sur le bord des nageoires sont à l’origine de la vitesse et de l’agilité des baleines. Il a donc décidé d’appliquer sa découverte aux pales d’éoliennes. Un prototype a été mis en œuvre au Canada. La production d’électricité a été augmentée de 20% par rapport à une pale conventionnelle. De plus, l’équipement est plus stable, moins bruyant, et fonctionne pour des vents plus faibles et plus forts qu’une éolienne classique.

Le photovoltaïque s’inspire plutôt des végétaux

« Pour capter au mieux l’énergie solaire, nous avons lancé Smartflower. Elle imite le tournesol qui capte au mieux l’énergie du soleil en le suivant et en adaptant son inclinaison », indique Mathias Povse, délégué régional chez EDF Hauts- de-France. Au lever du soleil, l’objet se déploie et s’oriente automatiquement face aux rayons tel un tournesol. Elle commence alors à produire de l’électricité grâce à ses douze pétales recouverts de panneaux photovoltaïques. Ils se positionnent toujours à un angle de 90° par rapport au soleil. Cela permet d’optimiser la production et d’augmenter le rendement de 40% par rapport à une installation photovoltaïque traditionnelle. Chaque fleur a une puissance de 2,3 kWc, correspondant à une production annuelle d’environ 3 500 kWh. En Israël, Sologic a lancé son e-tree avec une logique un peu similaire. Il copie l’architecture d’un arbre pour capter au maximum les rayons solaires. D’une hauteur de 4,5 mètres, il est constitué de sept panneaux solaires et produit en moyenne 7 kWh par jour en Israël. Il est destiné aux espaces publics et permet aux usagers de recharger leurs téléphones ou de profiter d’un point d’accès wifi tout en s’asseyant à l’ombre des panneaux solaires. Les exemples sont donc nombreux mais le biomimétisme ne doit pas se contenter de copier la nature tout en reproduisant les erreurs de nos sociétés industrielles. « Il faut y associer de nouvelles méthodes de fabrication à température et pression ambiantes en utilisant des ressources locales. Gaspiller de l’énergie et utiliser des terres rares ne sont pas des solutions à long terme », prévient Tarik Chekchak.

* Les citations sont extraites de la conférence “Biomimétisme et énergie” organisée le 13 janvier par les Assises européennes de la transition énergétique.

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