Le biomimétisme consiste à observer la nature avec une approche scientifique afin de mettre les "inventions" de la nature au service de l'homme. Il peut s'agir des propriétés adhésives des lamelles que l'on trouve sous les pattes du Gecko, de la résistance des fils de soie constituants les toiles d'araignée, ou encore de l'aérodynamisme du bec du Martin-pêcheur.

L'arbre à panneaux solaire eTree, exemple d'application du biomimétisme dans les ENRs

L'arbre solaire photovoltaïque eTree est un exemple d'application du biomimétisme aux énergies renouvelables - Crédit photo : Solar Giving

C'est l'auteur du livre Biomimicry: Innovation Inspired by Nature (1997), Janine Benyus, qui a lancé le terme de biomimétisme (biomimicry en anglais). Dans cet ouvrage, elle pousse le lecteur à observer et imiter la nature pour créer des applications ingénieuses et respectueuses de l'environnement. Elle montre diverses applications développées par des chercheurs dans de nombreux domaines pour prouver la pertinence du biomimétisme. Elle rend ainsi cette théorie populaire dans le monde entier.

Une démarche biomimétique se construit en trois étapes distinctes:

- L'identification: il faut tout d'abord identifier une propriété intéressante présente dans le milieu naturel.

- La compréhension: la deuxième étape consiste en une compréhension de l'origine de la propriété en question.

- Le contre-typage: enfin, il faut imiter la nature dans le but de recréer cette propriété artificiellement.

 

"Va prendre tes leçons dans la nature, c'est là qu'est notre futur." Léonard De Vinci 

 

Le biomimétisme utilisé dans de nombreux domaines

1948 : Bardane et Velcro

Un des exemples les plus connus de biomimétisme est le Velcro, il a été inventé par le suisse Georges Mestral en 1948.

Il a observé avec attention la bardane, une plante ayant des propriétés de fixation bien particulières. En effet, celle-ci possède des crochets qui lui permettent de s'attacher facilement aux poils et aux fibres textiles.

Il a reproduit cette propriété pour créer le produit que l'on connait aujourd'hui: le Velcro.

2015 : Le lotus, hyper-hydrophobe

Une surface est considérée hydrophobe lorsque l'angle entre une goutte d'eau et la surface est supérieur à 90° (formation d'une "perle", la goutte d'eau ne s'étale pas sur la surface). Pour la feuille de lotus, l'angle entre une goutte et la surface de la feuille est comprise entre 130° et 170°! C'est pour cela que l'on dit que la feuille de lotus est hyper-hydrophobe.

Cette propriété de la feuille de lotus est obtenu grâce à deux caractéristiques :

- une substance cireuse en surface

- des aspérités à l'échelle du nanomètre (nanorugosité)

Les recherches sur cette propriété permettent d'imaginer de nombreuses applications telles que des revêtements auto-nettoyants ou antibactériens.

 

Le biomimétisme, déjà des applications pour les énergies renouvelables

Énergie hydraulique

1. bioSTREAM

Le système bioSTREAM s'inspire de la forme et du mouvement de la queue du thon pour produire de l'électricité à partir de l'énergie provenant des courants marins. Il est développé par l'entreprise australienne BioPower Systems, basée à Sydney.

Sa structure permet une rotation du système à 360°, il peut ainsi s'adapter aux modifications de la direction du courant, y compris lors de marées (direction inversée).

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

Le fonctionnement est relativement simple, la queue se bloque dans deux positions différentes, ce qui permet au bioSTREAM d'osciller de gauche à droite en utilisant le courant.

Ce mouvement d'oscillation (énergie mécanique) est transformé en pression hydraulique pour faire tourner une turbine est ainsi convertir cette énergie en électricité.

Un ordinateur embarqué ajuste continuellement l'orientation du bioSTREAM en fonction de la direction du courant. Si le courant devient trop fort, le système se met en sécurité en bloquant la queue en position centrale, de la même manière qu'une girouette.

PERFORMANCES

Ce système est viable d'un point de vue économique et environnemental pour des sites dont les pics de vitesse du courant atteignent 2,5 m/s.

L'ensemble en acier pourrait être installé jusqu'à 45 m de profondeur, pour une puissance unitaire maximale de 0,5 à 2 MW.

Un prototype de démonstration de 250 kW est en cours de développement.

 

2. bioWAVE

Le bioWAVE est l'autre produit innovant développé par l'entreprise australienne BioPower Systems. Celui-ci s'inspire du mouvement des algues et est adapté à la production d'électricité à partir de l'énergie des vagues.

Le système bioWAVE est fixé au fond de l'eau et absorbe l'énergie aussi bien à la surface que sous les vagues.

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

 Un pivot situé dans la partie basse du système ainsi que 3 flotteurs en partie haute permettent au bioWAVE de suivre le mouvement des vagues. Ce mouvement est créé à partir de deux forces:

- en surface, les flotteurs suivent la montée et la descente de l'eau (énergie potentielle)

- plus en profondeur, les flotteurs suivent le mouvement de va-et-vient de l'eau (énergie cinétique).

La conversion de l'énergie se fait avec le même système que pour le bioSTREAM: l'énergie mécanique est transformée en pression hydraulique pour faire tourner une turbine, qui va produire de l'électricité.

Si la houle devient trop forte pour le bioWAVE, ce dernier peut se plaquer au fond marin, par mesure de sécurité.

 

PERFORMANCES

Le bioWAVE est prometteur, il pourrait combiner un haut rendement de conversion énergétique avec la capacité d'éviter les vagues trop puissantes, permettant la fourniture d'électricité raccordée au réseau à un prix compétitif.

Le modèle commercial du bioWAVE devrait être installé à des profondeurs allant de 40 à 45 m, pour une puissance unitaire d'environ 1 MW.

Un prototype de démonstration de 250 kW relié au réseau est en cours de développement. L'objectif est d'installer un deuxième prototype de démonstration de 1 MW puis une centrale de production comprenant plusieurs unités de démonstration.

 

Énergie Éolienne

1. Dual Wing Generator

Le Dual Wing Generator est un système développé par Festo dans le cadre du Bionic Learning Network (un groupe de recherche qui associe industriels et universités pour innover grâce au biomimétisme).

Ce concept innovant est en réalité une éolienne qui imite le mouvement des ailes d'un oiseau: deux paires d'ailes opposées avec un mouvement ascensionnel linéaire.

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

Le battement d'aile des oiseaux leur donne l'énergie nécessaire à se déplacer dans l'air. Le système Dual Wing Generator utilise quant à lui le déplacement de l'air pour produire de l'énergie. Le principe reste donc le même bien que les "ailes" soient fixes.

Chaque paire d'ailes a deux positions (tout comme pour le bioSTREAM), une position utilise la force de l'air pour la montée de la paire d'ailes et une position pour la descente. Les deux paires d'ailes ont un mouvement ascensionnel asynchrone.

L'énergie mécanique linaire est ensuite transformée en énergie mécanique rotationnelle puis en énergie électrique par un générateur électrique.

PERFORMANCES

Le Dual Wing Generator peut supporter de grandes variations de vitesse de vent, il s'adapte en faisant varier l'inclinaison des ailes ainsi que la vitesse et l'amplitude des battements à l'aide d'un contrôle assisté par ordinateur.

Il a des performances équivalentes aux petites éoliennes classiques et présente même un excellent rendement énergétique pour de faibles vitesses de vent. Des études ont montré que le système offre un rendement très élevé pour des vitesses de vent comprises entre 4 et 8 m/s.

 

2. Les pales de WhalePower Corporation

Energie renouvelable : biomimétisme, étude des nageoires des baleines à bosse

C'est le professeur de biologie Frank Fish qui a eu l'idée d'étudier la forme des nageoires des baleines à bosse. Ses recherches ont montré que les bosses présentes sur le bord des nageoires sont à l'origine de la vitesse et de l'agilité des baleines à bosse (relativement à leur taille et leur masse).

Ses conclusions l'ont amené à utiliser cette propriété pour la conception de pales d'éoliennes plus performantes. Il a donc créer WhalePower Corporation, une entreprise spécialisée dans le développement de pales d'éoliennes inspirées des nageoires des baleines à bosse.

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

Les nageoires des baleines à bosse sont en dents de scie et présentent des bosses (tubercules) sur le bord de fuite. Ces bosses dirigent et canalisent les flux d'air, améliorant l'écoulement. Les pâles présentent donc cette forme caractéristique.

 

PERFORMANCES

Le prototype de l'IEEC (Institut de l'énergie éolienne du Canada) a obtenu des performances convaincantes :

- la production d'électricité a été augmentée d'environ 20% par rapport à une pâle d'éolienne conventionnelle

- l'éolienne est plus stable, elle peut fonctionner pour des vents plus faibles et plus forts qu'une éolienne classique

- elle est également moins bruyante.

 

Énergie SOLAIRE

La source d'énergie principale utilisée par le monde du vivant étant l'énergie solaire, la première étape du biomimétisme serait donc d'exploiter cette énergie plus amplement.

1. eTree

L'eTree est une innovation de l'entreprise israélienne Sologic qui a pris exemple sur l'architecture d'un arbre pour capter l'énergie solaire.

Cet arbre artificiel possède des panneaux solaires photovoltaïque en lieu et place des feuilles.

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

L'eTree est arbre artificiel de 4,5 m de haut pour 1,5 tonne.

Il est constitué de 7 panneaux solaires qui produisent suffisamment d'énergie pour fournir un accès wifi, recharger des appareils électroniques, éclairer l'environnement proche la nuit ou encore distribuer de l'eau fraîche et potable. D'autres applications peuvent être imaginées.

Un stockage est intégré au système, pour qu'il soit autonome et pour apporter un soutien au réseau proche voir national.

PERFORMANCES

L'arbre artificiel produit en moyenne 7 kWh par jour en Israël, où les premiers eTree sont déjà en fonctionnement.

Il peut résister à des vents allant jusqu'à 60 km/h et ne demande quasiment aucune maintenance.

 

2. Feuille artificielle du Professeur Nocera

La nature puise majoritairement son énergie de la photosynthèse, cette réaction permet de produire du glucose à partir de l'énergie solaire.

Lors de cette réaction, la première étape dite "photolyse de l'eau", consiste en la décomposition de l'eau en deux éléments : le dioxygène (alors relâché dans l'atmosphère) et le dihydrogène.

Le professeur Nocera (du MIT), a tenté de reproduire cette étape artificiellement dans le but de produire du dihydrogène (vecteur énergétique bien connu) simplement à partir d'eau et de lumière.

 

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

La feuille artificielle est composée de 3 couches : une couche de Cobalt, une couche de Silicium et une couche de Nickel+Zinc.

L'énergie solaire captée par la couche de silicium permet d'obtenir du dioxygène sous forme gazeuse du côté de la couche de Cobalt et du dihydrogène sous forme gazeuse du côté de la couche de Nickel+Zinc, les couches extérieures jouant le rôle de catalyseurs. Il suffit donc de plonger la feuille dans l'eau (exposée à la lumière), sans rien d'autre, pour obtenir du dihydrogène, de l'énergie stockable!

Ce processus est en fait une électrolyse de l'eau grâce à l'énergie solaire, processus déjà possible avec un panneau solaire alimentant un système d'électrolyse. La principale différence avec ce système (et non des moindres), c'est que l'électrolyse est réalisée en direct, sans transferts préalables d'énergie et avec un minimum de matériaux.

 

PERFORMANCES

Les performances énergétiques de la feuille artificielle n'ont pas pu être déterminées pour l'instant.

Cependant, le dihydrogène produit par l'électrolyse d'un litre d'eau par jour et par être humain est suffisant pour répondre aux besoins énergétiques mondiaux, ce qui laisse à la réflexion.

Un des enjeux principaux suite à ces recherches sera de faire fonctionner cette feuille artificielle dans de l'eau salée, forme sous laquelle l'eau est majoritairement présente sur la surface de la Terre.

Il faudra également être capable de produire des feuilles artificielles à faible coût, pour qu'elles soient accessibles et que leur utilisation se généralise.

Le biomimétisme appliqué à la gestion de l'énergie

La nature n'a pas que des propriétés étonnantes à nous apporter, elle peut aussi être un exemple de part son organisation et sa gestion de l'énergie parfaitement optimisée. En effet, quelques enseignements de base peuvent en être tirés pour notre propre gestion et production d'énergie qui devraient tendre vers cette perfection :

  • Tout d'abord, comme nous l'avons vu précédemment, la nature tire l'énergie primaire dont elle a besoin de l'énergie solaire. C'est la source d'énergie renouvelable la plus conséquente sur Terre, il convient d'en tirer profit.
  • Tout doit être recyclé. Dans la nature, le moindre déchet peut être utile à un autre organisme, c'est un cycle nécessaire à la préservation de l'équilibre de celle-ci. Ne pas recycler revient à dégrader les ressources dont nous avons besoin.
  • La quantité d'énergie produite doit être adaptée à la quantité consommée. Les être vivants ne consomment que l'énergie dont ils ont besoin.
  • La production doit être adaptée au type de consommation. Par exemple, une production dépendante des conditions météorologiques est adaptée à une consommation sans contrainte de temps. Une production sous forme de chaleur est adaptée à une consommation de chaleur etc...
  • La production doit être au plus près des besoins. La nature produit et consomme de l'énergie à un seul et même endroit. Cela évite les pertes et peut parfois rendre la gestion plus simple.
  • La diversité permet une production plus adaptée aux besoins (à chaque problème sa solution).

En résumé, si l'on se fie au biomimétisme pour une meilleure gestion de l’énergie, la production de notre énergie doit être locale, adaptée aux besoins et aux ressources disponibles sur place, diversifiée et renouvelable aussi souvent que possible.