Une étude néerlandaise de février 2025 confirme que les choix en matière de conception et de matériaux utilisés pour construire de systèmes bioélectrochimiques sont déterminants pour maintenir un bon rendement et limiter les pertes énergétiques dès que l'on change de dimension.

L'électrométhanogénèse est une des pistes prometteuses du développement du power-to-méthane, filière clé pour décarboner les usages gaz résiduels à horizon 2050. Appliquer une tension électrique sur des micro-organismes permet en effet d'améliorer la production de méthane en stimulant l’activité des micro-organismes fixés en biofilm sur les électrodes. Démontrée à l’échelle du laboratoire, l'efficacité du procédé subit cependant une chute dès qu'on le passe à l'échelle supérieure. D'un réacteur de 66 cm³ à un réacteur de 20 litres (soit un volume 300 fois plus important), l'efficacité énergétique passe de 50/60%... à moins de 20%.

L’électrométhanogénèse au-delà du laboratoire

Selon une étude de 2022, certains choix de design et de matériaux de construction des systèmes bioélectrochimiques (SBEC) sont à l'origine de cette chute. Les chercheurs de l’université de Wageningen au Pays-Bas ont voulu en évaluer l'impact réel en concevant, construisant et opérant un SBEC optimisé pour le passage à l'échelle. Pour l'expérience, un réacteur de 17 litres a été conçu en forme de prisme hexagonal permettant de connecter plusieurs modules, histoire de faciliter le fonctionnement en parallèle de plusieurs réacteurs dans la perspective du passage à l'échelle.

La conception du SBEC a aussi permis de limiter l'éloignement des électrodes (afin de maximiser la performance) et de séparer les réactions cathodiques des réactions anodiques (afin de réduire les pertes énergétiques). Côté matériaux, la cathode a été recouverte de charbon actif granulaire (connu pour sa stabilité thermique et sa résistance à la corrosion), afin de favoriser la fixation des micro-organismes nécessaires à la production de méthane. Pour l’anode, l'électrode en titane a été recouverte d'iridium-ruthénium (optimale pour l'oxydation de l'eau).

Opérer le système bioélectrochimique (SBEC) optimisé

Une fois le montage réalisé, les chercheurs ont fait jouer trois paramètres : les micro-organismes introduits, la composition de l’électrolyte et la densité du courant.

• Le système a été inoculé avec de la boue granulaire provenant d’un digesteur anaérobie d’une station d’épuration.
• Initialement, un électrolyte au phosphate a été utilisé, puis du bicarbonate a été progressivement ajouté de manière à réduire les pertes énergétiques.
• Après inoculation, la densité de courant a été progressivement augmentée de 6 A/m³ 122 A/m³.

Des performances améliorées

Opéré pendant 470 jours, ce SBEC a démontré des performances équilibrées, combinant une production de méthane significative avec une efficacité énergétique supérieure à celle observée sur d'autres systèmes à grande échelle déjà testés. Il a obtenu un rendement énergétique d'environ 40 % pendant 400 jours avec des taux de production de CH₄ allant jusqu'à 280 NL.m^-3.j^-1.

L’efficacité faradique a par ailleurs été maintenue entre 80 % et 100 %, montrant une conversion efficace des électrons en méthane. L’efficacité énergétique (20 % avec un électrolyte standard - phosphate) a atteint 40 % à 45 %, grâce à l'ajout progressif de bicarbonate.

Ces performances restent inférieures à celles de technologies plus matures du Power-to-methane telles que la méthanation catalytique ou biologique. Toutefois, tant en production de méthane et qu'en efficacité énergétique, elles peuvent encore progresser moyennant de nouveaux ajustements ciblés sur les matériaux et sur la conception. Des perspectives qui font des SBEC une technologie d'avenir, notamment pour le stockage d'électricité renouvelable sous forme chimique.

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[1] Designing, building and operating an up-scaled methane producing bioelectrochemical system for power-to-methane, Journal of Power Sources, février 2025

[2] Avec la méthanation catalytique ou biologique qui consiste à convertir du dioxyde de carbone (CO₂) et de l'hydrogène (H₂) en méthane (CH₄) par réaction catalytique ou par méthanogénèse de micro-organismes

[3] La filière Power-to-methane permet de produire du méthane à partir d’électricité, d’eau et de dioxyde de carbone.

[4] Jadhav, D. et al. Scalability of microbial electrochemical technologies : applications and challenges, 2022.

[5] Rapport entre la quantité d’électricité effectivement produite, absorbée ou utilisée au cours d’un processus électrochimique et la quantité théorique associée à ce processus.