Projet ANR-14-CE05-0004 – Koropokkuru : Technologies microsystème pour comprendre et développer les piles à combustible microbiennes
Programme : Transformations et inter-conversions énergétiques (DS0203) 2014
Année de financement : 2014
Coordinateur du projet : Madame Marie-Line DELIA (Laboratoire de Génie Chimique - CNRS UMR 5503)
Partenaires : Laboratoire public; Laboratoire public
Montant : 398008.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 48 mois
Résumé : Les piles à combustible microbiennes (PCM) permettent de transformer directement en énergie électrique l’énergie chimique contenue dans des composés organiques de très bas coût (acétate, acides gras volatils, saccharides, chitine…). Le principe d’une PCM repose sur la mise en œuvre de micro-organismes adhérés à la surface de l’anode qui assurent la catalyse d’oxydation du combustible. Les micro-organismes adhèrent spontanément à la surface de l’anode en formant un biofilm dit électroactif qui oxyde les composés organiques en transférant directement les électrons à l’anode. Les biofilms électroactifs peuvent être formés en laboratoire à partir de cultures pures ou peuvent se développer spontanément sur des anodes immergées dans des environnements naturels tels que les sédiments marins par exemple. Une anode microbienne enfouie dans les sédiments associée à une cathode abiotique de réduction de l’oxygène donne une PCM benthique qui produit de l’énergie électrique à partir de l’énergie chimique contenue dans les sédiments. 
Depuis la découverte du concept en 2002, les PCM ont vu leurs performances croître rapidement puis stagner depuis 2008 à quelques Watt par mètre carré de surface d’électrode en conditions de laboratoire et quelques dizaines de mW par mètre carré en milieu naturel. Cette densité de puissance reste insuffisante pour envisager des équipements de production massive d’énergie électrique mais elle suffirait pour l’alimentation de microcapteurs. 
Le projet Koropokkuru propose deux axes de recherche. Le premier axe est destiné à avancer dans la compréhension fondamentale des mécanismes d’électrocatalyse microbienne. Les micro-technologies sont alors utilisées pour construire des électrodes spécifiques qui permettent des explorations fondamentales ciblées. La combinaison d’électrodes à surface micro-structurées ou de microélectrodes avec les outils de microscopie et de biologie moléculaire constitue une approche totalement originale pour l’étude des mécanismes d’électroactivité des biofilms. En effet, de nombreux travaux tentent l’optimisation globale des électrodes, d’autres approfondissent l’écologie microbienne des biofilms, s’attachent à identifier de nouvelles espèces électroactives et leurs voies métaboliques, mais extrêmement peu abordent les mécanismes de formation des biofilms électroactifs ou recherchent des corrélations entre la structure des biofilms et leur efficacité électrocatalytique. Les outils manquent pour cette approche, le projet Koropokkuru se propose de les construire. Nous comptons répondre ainsi à un ensemble de questionnements pour ensuite optimiser les interfaces biofilm/électrodes par une action pilotée à l’échelle des colonies microbiennes. Ce sont les bases d’une micro-ingénierie des interfaces biofilms/électrodes que nous souhaitons établir. 
Le second axe du projet veut concevoir une PCM miniature qui évaluera le potentiel de la technologie pour assurer l’alimentation en énergie de microcapteurs distribués à partir des matières organiques contenues dans des sédiments marins. La mini-PCM sera construite à partir d’une anode en silicium dopé N++ micro-/nano-structurée qui intègrera les connaissances acquises dans le premier axe. Elle sera connectée électriquement à une cathode abiotique conventionnelle assurant la réduction de l’oxygène. Les deux électrodes auront la dimension d’une carte de crédit. L’anode sera dans les sédiments anoxiques, la cathode au-dessus, dans l’eau de mer aérée. 
Les connaissances fondamentales qui seront créées en particulier dans l’axe 1 du projet seront la source de ruptures technologiques majeures sur le développement des PCM au-delà des applications microsystème. La mini-PCM réalisée dans l’axe 2 et testée en aquarium sur plusieurs semaines permettra de démontrer la possibilité d’exploiter les micro-technologies pour élaborer des PCM  de petite taille comme sources d’énergie pour alimenter des microcapteurs à applications environnementales.