Production d’électricité à partir de plantes : principe et fonctionnement des TPE (piles microbiennes végétales)

Une rizière pourrait-elle produire jour et nuit assez d'électricité pour alimenter un village isolé du sud-est asiatique ? Ce doux rêve prend forme aux Pays-Bas, où des scientifiques développent un système qui génère du courant grâce aux plantes poussant dans des milieux saturés en eau. "La plante produit plus d'énergie qu'elle n'en a besoin", explique à l'AFP Marjolein Helder, qui dirige Plant-e, société basée à Wageningen (à l'est des Pays-Bas). L'avantage de ce système par rapport à l'éolien ou au solaire, c'est qu'il fonctionne même la nuit et quand il n'y a pas de vent.

Concept général et origine

Produire de l'électricité à partir de plantes, c'est possible. Des scientifiques néerlandais ont développé une pile à combustible capable de produire de l'énergie grâce à l'interaction entre racines des plantes et bactéries du sol. Fondée en 2009, Plant-e commercialise et perfectionne un système imaginé par des chercheurs de l'université de Wageningen et breveté en 2007.

Principe biochimique : photosynthèse, racines et micro-organismes

La technologie s'appuie sur la photosynthèse utilisée par la plante et grâce à laquelle celle-ci produit notamment de la matière organique. Les plantes absorbent le rayonnement solaire et le dioxyde de carbone pour les transformer en énergie utilisable par le plant. La majeure partie de leur vie, les végétaux fabriquent beaucoup plus d'énergie qu'ils n'en utilisent. La plante prend ce dont elle a besoin pour grandir et le surplus est excrété par les racines.

L'excédent est rejeté dans le sol via les racines, autour desquelles vivent des micro-organismes qui s'en nourrissent et libèrent des électrons. Des micro-organismes présents dans l'environnement de la plante vont alors venir se nourrir de ces sucres, ce qui va permettre la libération d'électrons : c’est le pôle - de la pile. En y plaçant des électrodes en carbone, on peut générer du courant.

Fonctionnement électrochimique détaillé

Pour comprendre comment cela est possible, il faut dans un premier temps savoir que le courant électrique est un déplacement de charges négatives (les électrons). En reliant un élément donneur d'électrons (le pôle -) à un élément receveur (le pôle +), les électrons vont naturellement circuler du premier vers le second : il y a production d’un courant électrique.

Le système de Plant-e fonctionne de la manière suivante : les sucres (C6H12O6) produits par la photosynthèse sont dégradés par les micro-organismes présents dans le milieu (Micro-Organisms). Ils produisent en retour du CO2, des protons (H+) et des électrons (e-) captés par l'anode, ce qui génère un courant électrique. Au niveau de la cathode, les protons qui ont migré à travers une membrane réagissent avec les électrons et le dioxygène de l'air (O2) pour donner de l'eau (H2O).

C'est le principe des « piles microbiennes à plantes » (ou Plant-MFC pour Plant Microbial Fuel Cell). "Mais ici, nous n'avons pas besoin d'endommager la plante, c'est un système non intrusif", souligne Marjolein Helder. Le plus intéressant dans ce procédé, c’est que l’énergie captée ne nuit pas du tout à la croissance de la plante.

Limites liées au milieu et robustesse

Seul hic, si l'eau gèle ou s'évapore, le système arrête de fonctionner. "Il suffit d'ajouter de l'eau ou d'attendre que la glace fonde pour que la production reparte de plus belle", assure Mme Helder. Cela étant, "il y a beaucoup de régions du monde qui ne sont pas confrontés à ces problème".

Réalisations et prototypes commerciaux

Plant-e vend actuellement son système sous la forme de petites plaques en plastique de 50 centimètres de côté qui s'assemblent les unes aux autres en intégrant et les plantes et la technologie. Elles s'assemblent les unes aux autres en intégrant et les plantes et la technologie. Le produit phare est en développement : un système en forme de tube qui pourra être directement immergé dans un milieu saturé en eau.

Pour tester la technologie à plus grande échelle, deux systèmes de 100 m2 chacun (d'un coût total de 120.000 euros) ont été installés sur un pont et dans un pôle économique avec l'appui des pouvoirs locaux. "Nous voulions aider au développement de cette technique qui a un potentiel énorme", explique Bas Boeker, directeur de projet au sein de l'organisation gérant une partie de l'immobilier de l'État.

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Performances actuelles et objectifs

Le chemin est encore très long pour Plant-e, qui survit pour l'instant surtout grâce à des subsides : les coûts doivent être réduits et, surtout, l'efficacité améliorée. Actuellement, une installation du système sur 100 m2 permet de recharger un smartphone, d'allumer une série d'ampoules Led ou d'alimenter une borne Wi-Fi, estime Marjolein Helder.

En 2009, l'entreprise annonçait en effet une puissance d'environ 0,4 à 0,5 W/m2, pour progresser jusqu'à 3 W/m2. Dans "quelques années", Plant-e espère produire 2.800 kWh par an avec la même surface, soit environ 80 % des besoins en électricité d'un ménage néerlandais moyen (2,2 personnes). Pour couvrir une surface de 100 m2, il faudra compter 60.000 euros (coût de vente évoqué pour certaines configurations).

Applications potentielles et territoires prioritaires

Le champ d'application potentiel est vaste. L'Asie du sud-est, qui regorge de rizières, mangroves et autres zones humides et où l'accès à l'électricité est difficile, apparaît comme un terrain particulièrement adapté. Selon des chiffres de la Banque mondiale, moins de la moitié de la population du Cambodge (31 %) et de la Birmanie (49 %) ont accès à l'électricité. Le Bangladesh (55 %) ou le Laos (66 %) font un peu mieux.

Les chercheurs voient plus loin et imaginent des toitures recouvertes de végétaux qui apporteraient à la fois une isolation, de la nourriture et de l'électricité. Ce dispositif a déjà permis d’apporter l’électricité dans des régions amazoniennes sensibles. Au Pérou, un village a enfin accès à l'éclairage grâce à un système appelé Planta Lampara. Le projet a été mené par un groupe d'étudiants chercheurs péruviens.

Recherche, optimisation et projets européens

Un projet de recherche récent de l'UE a mis au point un concept de pile à combustible (PC) générant de l'électricité à l'aide de plantes et de bactéries. Une pile à combustible microbienne et végétale (PMV) est un système électrochimique dans lequel la plante collecte la lumière et le dioxyde de carbone (CO2), et libèrent des matières organiques dans le sol. Là, des bactéries particulières transforment les matières organiques, libérant des électrons ce qui génère de l'électricité.

Dans ce contexte, le projet PLANTPOWER, financé par l'UE, visait à améliorer la production nette d'une PMV, la faisant passer de 0,0067 W/m2 à 3,2 W/m2. Les chercheurs ont désigné les graminées comme étant les plantes les plus prometteuses en raison de leur croissance rapide et abondante, mais aussi parce qu'elles conservent leur vitalité pendant leur croissance sur les PMV. Les différences génétiques au niveau du dégagement chimique par les plantes ont été analysées. Les caractéristiques physiques des racines semblent être le facteur le plus stratégique. La modélisation a permis d'optimiser et d'accélérer le système de PMV. D'autres travaux sont nécessaires pour produire une PMV exploitable, notamment au niveau des électrodes, le renouvellement et les tests en situation réelle.

Limites techniques, économiques et perspectives

Le chemin est pourtant encore très long pour séduire les consommateurs. Les coûts doivent être réduits et, surtout, l'efficacité améliorée. D'autres travaux sont nécessaires pour produire une PMV exploitable, notamment au niveau des électrodes, le renouvellement et les tests en situation réelle. Actuellement, une installation du système sur 100 m2 pourra recharger un smartphone, allumer une série d'ampoules LED ou d'alimenter une borne wifi.

Malgré ces limites, "il n'en est qu'à ses débuts et beaucoup de choses doivent encore être grandement améliorées mais son potentiel est énorme", soutient Jacqueline Cramer, professeur en innovation durable à l'université d'Utrecht et ancienne ministre en charge de l'Environnement aux Pays-Bas. "Si ce système devient assez performant, on peut imaginer fournir en électricité des zones reculées ou même en installer dans nos villes et nos campagnes pour produire de l'énergie verte", poursuit-elle.

Vers une complémentarité avec d'autres énergies vertes

Les technologies « vertes » pour produire de l’énergie sont de plus en plus répandues et les capacités des plantes inspirent régulièrement les ingénieurs. Ils sélectionnent la partie qui les intéresse pour la reproduire artificiellement sur leur produit. Certains projets montrent déjà qu'il est possible d'associer des approches : toitures végétalisées, biomasse, méthanisation ou systèmes photovoltaïques peuvent coexister et renforcer la résilience énergétique locale.

Tableau synthétique : état actuel et ambitions

Paramètre	Valeur / statut
Puissance rapportée (2009)	0,4-0,5 W/m2
Puissance visée (améliorations)	jusqu’à 3 W/m2 et plus (objectifs projets UE)
Production visée sur 100 m2	2 800 kWh/an (objectif Plant-e futur)
Applications immédiates	recharge smartphone, LED, borne Wi‑Fi
Contraintes majeures	sécheresse, gel, coût, efficacité électrode
Milieux adaptés	rizières, mangroves, marais, tourbières, toits végétalisés

Les perspectives restent ouvertes : des installations pilotes existent, des projets européens ont poussé les rendements, et des applications locales (éclairage de villages, toitures végétales productrices d'électricité) montrent des voies concrètes. Toutefois, la transformation commerciale et l'échelle nécessitent encore des améliorations techniques et une baisse des coûts.

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