19 août 2010 - Un article de Hazel Muir, dans le journal New Scientist étudie la possibilité de tirer de l'énergie de l'urine. Une source renouvelable et peu exploitée à ce jour.PourPlusieurs fois par jour, chacun de nous se sépare sans l'exploiter, dans la chasse d'eau, d'une source d'énergie appréciable.
Le pipi, une énergie propre?
Pour Shanwen Tao, de l'université Heriot-Watt à Edimbourg, l'urine n'a pas la même connotation que pour le commun des mortels. Le scientifique est en effet persuadé que l'urine est une solution au défi énergétique mondial. On pourrait alimenter en électricité et en chaleur des immeubles entiers à l'urine.Si ce n'est probablement pas l'urine qui fera décoller les fusées, ce carburant d'un nouveau genre compense son manque de densité énergétique par son abondance. Tao calcule en effet que les sept milliards d'êtres humaines en produisant environ 10 milliards de litres par jour, ce qui en fait un des déchets les plus répandus au monde. En y ajoutant les animaux, on multiplie encore ce volume déjà astronomique.
Dans l'état actuel des choses, l'urine en tant que déchet pose un problème. En l'intégrant au cycle de l'eau, l'homme menace des écosystèmes fragiles. Et pourtant, séparer l'urine de l'eau a un coût énergétique considérable. On estime aux Etats-Unis que les usines de traitement de l'eau consomment 1,5% de l'électricité produite dans le pays.
Dans ce cadre, pourquoi ne pas rêver à faire de l'urine une ressource plutôt qu'un déchet énergivore?
Utiliser l'urine pour extraire de l'hydrogène
En 2002, en discutant avec des collègues sur les sources potentielles d'hydrogène, cette idée est venue à l'esprit de Gerardine Botte, chimiste à l'université de l'Ohio.On peut produire de l'hydrogène en grande quantité avec des hydrocarbures, mais ce n'est pas évident à stocker et à distribuer. L'autre possibilité est de séparer l'hydrogène et l'oxygène de l'eau pour introduire directement de l'hydrogène dans une pile à combustible... mais le processus de séparation de l'hydrogène de l'eau consomme autant d'énergie que l'hydrogène en produit ensuite.
L'idée de Botte est d'utiliser de l'urine à la place de l'eau. En poids, l'urine contient environ 2% d'urée, et chaque molécule d'urée contient quatre atomes d'hydrogène, qui sont moins fortement fixés à l'urée que l'hydrogène ne l'est à l'eau. Par conséquent, séparer l'hydrogène de l'urée demande moins d'énergie que de l'eau et permet une production d'hydrogène plus efficace.
L'an dernier, l'équipe de chimistes de Botte a annoncé avoir réussi à produire de l'hydrogène à partir d'urine en utilisant une pile électrochimique avec des électrodes classiques en nickel et une tension de seulement 0,37 volts, tandis qu'il en faut 1,23 pour extraire l'hydrogène de l'eau. De l'hydrogène pur a été produit au niveau de la cathode, tandis que de l'azote et du dioxyde de carbone se formaient à l'anode.
Les calculs de Gerardine Botte montrent qu'avec de meilleures électrodes, on pourrait produire de l'hydrogène à partir d'urine pour moins d'un dollar par kilogramme. Cette technologie pourrait alors s'avérer utile dans les endroits de grandes quantités d'urine sont collectées: "Dans un immeuble où travaillent 200 ou 300 personnes, on peut produire environ 2 kilowatts d'électricité" affirme la chimiste.
Dans une autre logique, l'urine pourrait être utilisée directement comme carburant. C'est l'approche des écossais: Shanwen Tao et Rong Lan associés à John Irvine de l'université de St. Andrews. Depuis 2007, leur équipe développe une pile à combustible qui produit directement de l'électricité à partir d'urine. Il n'y a donc pas besoin de courant pour séparer l'hydrogène de l'urée, c'est une électrode secrète et bon marché qui provoque la réaction.
Au sein de la pile à combustible, air et eau génèrent des ions hydroxyde à proximité de la cathode d'un centimètre carré, et ceux-ci sont attirés par l'anode. Au niveau de l'anode, ils réagissent avec l'urée pour former de l'eau, de l'azote, et du CO2. Cette réaction produit également des électrons qui retournent vers la cathode via un circuit externe en générant du courant, dont l'équipe espère qu'il pourra un jour être suffisant pour faire fonctionner des appareils électriques.
Dans une application à grande échelle, on pourrait collecter l'urine du bétail pour alimenter en électricité les bâtiments des fermes... en espérant qu'on arrive à séparer l'urine du bétail du reste de leurs excréments.
Mais toutes ces utilisations de l'urine ne peuvent fonctionner qu'avec une certaine concentration d'urée. L'urine évacuée à la maison est trop diluée dans le système d'égouts pour pouvoir être utilisée ainsi.
Lorsqu'elle arrive à l'usine de traitement des eaux usées, l'urine est diluée et contaminée par des produits chimiques divers et variés. De plus, la majorité de la précieuse urée s'est décomposée en ammoniaque. Pourtant, Botte affirme que sa technologie devrait quand même fonctionner. Elle projette de l'adapter pour séparer l'ammoniaque en hydrogène et azote, et espère lever les fonds nécessaires d'ici un an pour tester sa technologie dans une usine de traitement.
Produire de l'électricité à partir de toutes sortes de déchets dans les eaux usées constitue une autre option. Pour Bruce Logan, qui développe des piles à combustibles microbiennes à la Pennsylavania State University, une pile à combustible microbienne peut décomposer toutes les matières organiques de l'eau, et la nettoyer en même temps.
Leur atout est que l'eau usée contient naturellement des bactéries et de la matière organique. Lorsque les bactéries s'en nourrissent, elle produisent des électrons qui devraient normalement se combiner avec de l'oxygène. Mais si on maintient une atmosphère sans oxygène, les électrons peuvent être dirigés vers une électrode, et de là créer de l'électricité dans un circuit externe. En parallèle, les protons traversent une membrane qui divise la cellule pour se combiner avec les électrons arrivant du circuit externe au niveau de la cathode où la rencontre forme de l'eau pure au contact de l'oxygène.
Les piles microbiennes expérimentales ont généré jusqu'à 6,9 watts par mètre carré d'électrode. Même si cette valeur reste faible, Bruce Logan rappelle qu'au vu de la quantité de réactif dans les usines de traitement de l'eau usée, avec des dizaines de milliers de mètres carrés, on finit par produire beaucoup d'électricité. Cette technologie est actuellement à l'étude dans le cadre d'un projet pilote.
En privant la cathode d'oxygène, ces cellules peuvent aussi être utilisées pour produire de l'hydrogène. L'équipe de Logan a récemment réussi des essais sur une pile microbienne de 1000 litres destinée à la production d'hydrogène dans un vignoble. L'eau usée contenait des restes de raisins et de déchets de la fermentation comme du sucre et de l'éthanol. Pour Logan, les cellules sont opérationnelles, et notamment dans le cas d'une composition variable de l'eau usée.
Le gros du travail est la mise à l'échelle réelle des piles microbiennes et à la découverte des matériaux nécessaires aux électrodes pour les faire fonctionner efficacement. "Nous dépensons aujourd'hui beaucoup d'énergie pour le traitement de l'eau, et nos technologies pourraient faire de ce poste de consommation un producteur net d'électricité". conclut Logan.
L'urine n'est évidemment pas la solution absolue au défi énergétique mondiale, mais pour les chercheurs, plus il y a de sources renouvelables, mieux c'est pour la planète.
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