Biomimétisme et production d’énergie


Les êtres vivants ont besoin d'énergie tout au long de leur vie pour survivre. L'énergie se présente sous de nombreuses formes : thermique, électrique, mécanique, etc. Le vivant regorge de mécanismes dont biomimétisme peut s'inspirer pour améliorer la production d'énergie, ou la réinventer. Un enjeu contemporain majeur pour faire face au changement climatique !



On se souvient de la célèbre phrase du chimiste et philosophe Lavoisier “Rien ne se perd, rien ne crée, tout se transforme”. La production d'énergie est en réalité une conversion d'énergie. Le vivant regorge de mécanismes permettant d'optimiser la conversion d'énergie. Il devient urgent de développer des moyens sobres de production d’énergie, et le biomimétisme fourmille de solutions pour en proposer.


Energie solaire : quand le biomimétisme nous éclaire !

L’énergie solaire est l’énergie la plus utilisée chez les êtres vivants. Dans notre article sur la photosynthèse nous vous avions déjà expliqué en quoi le biomimétisme peut s’inspirer des plantes pour produire de l’énergie. Mais les animaux aussi sont une grande source d'inspiration ! Que ce soit pour se réchauffer ou pour rayonner une couleur particulière, les structures, les surfaces, les peaux des animaux sont une source d’inspiration immense pour le biomimétisme et son application à la production d’énergie électrique, notamment à travers les panneaux solaires ou autres cellules photovoltaïques.

Le papillon Greta oto est un exemple parfait de modèle biologique pour le biomimétisme. Cet incroyable lépidoptère aux ailes transparentes a développé une capacité de camouflage extraordinaire. La transparence de ses ailes lui permet de ne pas réfléchir la lumière et donc de ne pas se faire repérer par ses prédateurs. Elles disposent également de propriétés auto-nettoyantes et hydrophobes (que l’eau ne mouille pas). Ces performances sont dues à des nanostructures (échelle du nanomètre, soit un milliardième de mètre) en forme de pilier recouvrant ses ailes. Ces structures empêchent les reflets de lumière, peu importe leur angle d’incidence. La composition de ces ailes a ainsi inspiré un revêtement de panneaux solaires ultra-transparent, ce qui permet une absorption de lumière plus importante (5 % de rayons réfléchis seulement contre 30 % pour des panneaux solaires standards) et donc une meilleure production d’énergie électrique d’origine solaire. Ce système étant peu coûteux et simple à mettre en place, l’apport du biomimétisme n’en est que plus évident.


Les ailes transparentes du papillon Greta oto (crédit : Wikipédia, S. Rae)

Un autre exemple très intéressant pour la production d’énergie est celui de la couleur éclatante de la cuticule (carapace) des scarabées. Pour se faire remarquer des partenaires ou pour effrayer les prédateurs, leur cuticule reflète une couleur bien spécifique, grâce à un empilement de couches microscopiques. Cette structure a notamment inspiré la conception de cellules photovoltaïques semi-transparentes très efficaces, pouvant être utilisées comme vitres par exemple. L’objectif de ces cellules est de laisser passer de la lumière, d’où ce caractère transparent, tout en absorbant un maximum de lumière pour créer de l’énergie électrique. Sur un principe similaire en multi-couches, il est possible de choisir la couleur de la lumière qui traverse le panneau. En effet, l’objectif d’un tel panneau est donc de ne laisser passer qu’une seule couleur de la lumière pour pouvoir capter toutes les autres et les convertir. Le biomimétisme permet ainsi d’augmenter :

  • la capacité de production d’une cellule photovoltaïque semi-transparente (Power Conversion Efficiency),

  • sa transmittance (rapport entre flux transmis et flux reçu)

  • la qualité de la couleur (qui influe sur la quantité d’énergie transmise et captée) par rapport à une autre cellule semi-transparente.

Biomimétisme et énergie éolienne : le vent tourne !

Une autre source d’énergie naturelle qu’utilisent les animaux - et notamment la plupart des oiseaux - est le vent. En effet, au décollage, à l'atterrissage ou même en vol, les oiseaux se servent du vent pour augmenter leurs performances… Cette ressource omniprésente sur Terre est une source d’énergie renouvelable pour l’homme, et le biomimétisme n’est également pas en reste pour la production d’énergie grâce au vent !

Un exemple très classique de biomimétisme dans le domaine des énergies éoliennes est de s’inspirer des ailes des oiseaux. En observant leur structure et en innovant, il est possible d’améliorer les performances des éoliennes en imitant le même profil aérodynamique. C’est par exemple le cas de la chouette effraie. Ce rapace nocturne est un grand prédateur. Pour capturer ses proies - en général des petits rongeurs - elle doit s’en approcher sans faire de bruit et rapidement (à plus de 30 km/h). Elle y parvient si bien qu’il s’agit de l’oiseau le plus silencieux au monde. C’est grâce à la forme de ses plumes qu’elle se place en haut du podium : celles situées sur la partie postérieure de l’aile adoptent une forme de peigne, dont l’effet principal est d’accompagner le flux d’air en douceur. Les deux effets principaux sont alors la réduction des turbulences et du bruit. Cette structure en bord de fuite a inspiré des pales d’éoliennes plus performantes aérodynamiquement et surtout acoustiquement (plus silencieuses, réduction de 10 dB dans toutes les directions) que les éoliennes classiques.


La structure des plumes de la chouette effraie rend son vol particulièrement silencieux.

Un autre exemple de biomimétisme concernant l’énergie éolienne est celui d’un arbre éolien qui capte des flux d’air minimes. L’inspiration est venue de l’observation du comportement des bancs de poissons : chaque individu du groupe parvient à changer de direction très rapidement et facilement malgré tous les flux qui l’entourent. Ce phénomène a inspiré les produits commercialisés par l’entreprise Wind tree, dont les turbines en forme de feuilles permettent une bonne répartition du flux d’air entre elles. Cette technologie peut être utilisée dans des espaces difficiles d’accès et avec peu de vent, comme les espaces urbains, produisant une quantité d’électricité non négligeable. Par exemple, cet arbre éolien peut alimenter 80 % des besoins en électricité d’un ménage français, tout au long de l’année.


Dans un banc de poisson, chaque individu optimise sa dépense d'énergie en ajustant sa trajectoire sur les flux d'eau produits par ses voisins.

Le colibri est également une source d’inspiration pour le biomimétisme dans le domaine de l’énergie éolienne. Son battement d’aile si caractéristique a servi de source d’inspiration pour des éoliennes. Ce sont des éoliennes à pâles battantes qui ont été étudiées et fabriquées selon ce principe. L’idée est de reproduire le plus fidèlement possible le battement d’aile très rapide du colibri, qui permet de générer une poussée maximale sur toute sa durée. Les améliorations en termes de production d’énergie de cette éolienne par rapport à une éolienne classique sont énormes, même si à petite échelle pour l’instant (1 kW de puissance). L’entreprise qui a développé cette technologie observe moins de contraintes mécaniques, une meilleure tolérance aux vents forts, et une performance énergétique supérieure. Un modèle à grande échelle est en cours de production. Cet exemple montre de nouveau le potentiel énorme du biomimétisme dans le secteur de la production d’énergie.


Exemples de biomimétisme et production d’énergie hydroélectrique

Une troisième source d’énergie naturellement abondante est l’énergie provenant de la mer, des rivières et des courants. Par exemple, les êtres vivants marins se servent régulièrement des courants marins pour parcourir de grandes distances. Les ressources marines ou fluviales ont également un très grand potentiel pour la production d’énergie électrique, que ce soit grâce à des hydroliennes, des foils ondulants ou des barrages hydroélectriques. C’est aussi le cas des êtres vivants, dont on peut à nouveau s’inspirer pour innover sur la production d’énergie à partir de l’eau.


Le kelp suit les mouvements des courants marins (Crédits : Keith Johnson)

Le premier exemple est celui d’une inspiration du kelp. Cette algue marine géante est un des varechs les plus grands, souples et résistants du monde. Elle possède des caractéristiques très intéressantes pour se protéger contre les marées, accéder à de l’énergie solaire et se prémunir contre la sécheresse quand ils se trouvent privés d’eau. Ceci est notamment dû aux bulles d’air que les kelps possèdent dans leur structure aidant à la flottaison. Ces bulles permettent également de ne pas s’opposer aux courants marins - en possédant une structure souple - et ainsi de se protéger des dégâts lors de fortes marées. En effet, si les algues résistent trop aux courants et aux marées, elles risquent d’être détruites par la force de la mer. Mieux vaut donc adopter une structure souple et non résistante qui va dans le sens du courant. Ces mêmes bulles d’air lui permettent également de favoriser la photosynthèse en approchant ses extrémités de la surface de l’eau, récupérant ainsi plus de soleil. Enfin, il sécrète également un mucus qui diminue l’évaporation, très utile pour conserver son eau le plus longtemps possible lorsqu’il est hors de l’eau, à marée basse. Ce sont donc ces propriétés qui ont inspiré une hydrolienne complètement différente des modèles traditionnels. Celle-ci prend la forme du kelp. En suivant le mouvement et la direction des vagues et des courants, elle capte de l’énergie qu’elle transforme en électricité. Elle subit aussi moins de dégâts lors de forts courants en se couchant, ce qui la protège. Cette hydrolienne s’est avérée être plus pratique pour sa liaison au réseau, plus résistante et surtout plus efficace énergétiquement que les systèmes conventionnels.

Une technologie similaire est celle développée par l’entreprise Eel Energy. Une explication de ce principe est disponible sur notre article Biomimétisme et animaux marins.

Une autre application possible du biomimétisme dans la conversion d’énergie hydraulique est celle de l’étude du comportement des bancs de poissons pour développer un parc d’hydroliennes ondulantes mieux organisées et positionnées. Ces éoliennes ondulent comme des poissons plutôt que de faire tourner de grandes pales comme une éolienne traditionnelle. Originellement, les bancs de poissons ont une utilité bien particulière : la défense. En effet, les poissons de petite ou moyenne taille se déplacent en bancs pour s’alimenter librement sans se faire attaquer par des prédateurs (l’effet de groupe étant dissuasif et perturbant). Les bancs de poissons sont parfois composés de plusieurs centaines voire de milliers d’individus. Cela leur permet également de limiter de 80% leurs efforts pour se déplacer et de faciliter leur capture de nourritures (essentiellement des planctons ou autres micro-organismes). Lorsque ces poissons sont en banc, leur placement n’est pas aléatoire. Ils se placent en formation “diamant” naturellement, leur permettant d’avoir des propriétés hydrodynamiques très intéressantes. Lorsqu’ils font partie d’un banc, les poissons doivent sans cesse nager (ne jamais s’arrêter) et garder une distance bien précise entre chacun d’entre eux. Ces positionnements bien particuliers leur permettent de réduire grandement les frottements dus à l’eau pour ceux qui les suivent, ce qui économise leur énergie. Des recherches en cours ont mis en évidence l’intérêt de s'inspirer d'une telle disposition pour améliorer le positionnement des hydroliennes ondulantes dans des parcs de plusieurs éléments.


Conclusion

De nouveaux articles liés à cette thématique vont être publiés sur notre site dans quelques semaines concernant “le biomimétisme et les exemples d’économie d’énergie” ainsi que “le biomimétisme et les exemples de stockage d’énergie”.

Le biomimétisme n’a pas fini de vous surprendre dans le domaine de l’énergie. De nombreuses recherches et développements biomimétiques sont en cours dans le monde entier pour faire face à tous ces enjeux écologiques et énergétiques qui nous concernent tous. En espérant que l’inspiration de la nature nous serve à la protéger.



Pour aller plus loin, les sources utilisées pour la rédaction de cet article :