Photobioréacteur, de l'innovation technique et énergétique à l'intégration architecturale

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master

Matières à penser

Ecole d’architecture à Marne la vallée de la ville & des territoires

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Mémoire de master Janvier 2013

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Directeurs de mémoire Jean-François Blassel Guillemette Morel-Journel

Photo-bioréacteurs

Mention recherche présentée en juillet 2014 - préparation d’un dossier de thèse

De l’innovation technique et énergétique à l’intégration architecturale

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Gaëlle Louyot

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Photo-bioréacteurs: technologie et processus industriel

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Technologie et contexte

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Cycle de production

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Processus industriel

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Limites et enjeux d’une application au domaine architectural

23

Questions d’échelles

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Rendement et surface d’application minimum

27

Echelle urbaine et morphologie

31

Typologies adaptées: programme du bâtiment

35

Typologies constructives envisagées: constructions neuves ou réhabilitations

39

De l’application à l’intégration

45

Du dispositif industriel au dispositif architectural

45

Mise en forme et optimisation des photo-bioréacteurs

49

Nature/ architecture, nouvelle écriture architecturale

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Conclusion

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Lexique

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Bibliographie

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Annexes

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Résumé

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3.3

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Corpus

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Introduction

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SOMMAIRE

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Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme. 1

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Antoine de Lavoisier, d’après Anaxagore de Clazomènes

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INNOVATION TECHNIQUE ET ENERGETIQUE

Innovation technique et énergétique, les photo-bioréacteurs s’intègrent progressivement à l’architecture. Technologie de culture à micro-algues, ils transforment et produisent de l’énergie sous différentes formes pour satisfaire la consommation des bâtiments. En intégrant des micro-organismes au bâtiment, les photo-bioréacteurs interrogent sur leurs perspectives d’intégration et reformulent la relation entre nature et architecture.

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La relation entre nature et architecture est complexe et ambigüe. Source d’inspiration ou d’imitation, la nature a toujours proposé une vision romantique et poétique lorsqu’elle est associée à l’architecture. Jusqu’ici, leur relation se définissait1 par une construction en harmonie avec le site ou s’appuyait sur des caractères formels et structurels communs. La particularité des photo-bioréacteurs est de proposer une définition en étudiant non plus la forme et le contexte, mais la matière et le comportement de la végétation. Ainsi, la nature s’intègre à l’architecture sous forme de matière végétale. Qu’il s’agisse de filtre solaire et acoustique, d’isolation ou encore de régulation thermique, la matière végétale est un outil polyvalent qui interroge sur son rôle et son potentiel énergétique. Si les tendances actuelles sont à l’application de toitures ou de murs végétalisés, et dans une situation plus utopique à l’agriculture urbaine, les propriétés de la matière organique deviennent un moteur de recherche bioénergétique. L’introduction de micro-organismes vivants au domaine de l’architecture permet de répondre à de multiples problématiques (dépollution, production et gestion d’énergie, régulation thermique et autres). Mais en multipliant les rôles et fonctions architecturales de la matière végétale, l’application et l’aspect changent. Entre nature et architecture, comment la vision de leur relation a-t-elle évoluée?

Pour construire avec les ressources énergétiques renouvelables et proposer des alternatives durables, le développement de nouvelles technologies en plein essor est favorisé. A l’heure du changement climatique, la ville devient un laboratoire d’expérimentation et d’innovation. Les photo-bioréacteurs s’inscrivent dans une optique de production, de gestion locale d’énergie et de développement durable.

Entre stade expérimental et phase d’industrialisation, le statut de la technologie 1

Caractéristiques de l’architecture organique (cf: Franck Lloyd Wright) et du biomimétisme

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Biomasse

Electricité

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Huile végétale

Processus de transformation Schéma illustrant la transformation progressive des micro-algues en huile végétale et biomasse algale. Ressources renouvelables produisant énergie éléctrique et chaleur.

Chaleur

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permet d’étudier le processus industriel dans son ensemble. Analyser la chaine de production, c’est comprendre la complexité du processus industriel. La volonté de répondre aux normes énergétiques et environnementales futures, atteste d’une ambition multifonctionnelle du dispositif (production, gestion et stockage d’énergie). Mais la complexité peut être synonyme de fragilité et multiplier les contraintes techniques d’application et d’utilisation. Pour envisager une intégration efficace des photo-bioréacteurs au bâtiment, il s’agit avant tout de comprendre le fonctionnement de la technologie et d’analyser la transformation progressive d’innovation technique en dispositif architectural. Comment envisager l’application de photo-bioréacteurs au bâtiment? A quelles échelles peut-on les intégrer pour assurer leur efficacité?

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Actuellement, il n’y a pas de bâtiment construit intégrant des photo-bioréacteurs pouvant attester de l’efficacité du système. Les photo-bioréacteurs sont des prototypes industriels mais peuvent réellement être envisagés comme dispositif des techniques. Participant au processus de recherche et de développement, le prototype est un outil essentiel avant la phase d’industrialisation. Maquette à l’échelle une, il a une valeur de test et est nécessaire pour confirmer les rendements, coûts et fonctionnement des systèmes proposés au cours de la recherche. La plupart des projets d’architecture intégrant des bioréacteurs sont le plus généralement construits dans une optique expérimentale et non de construction. Imaginé et conçu comme un support aux bioréacteurs, le bâtiment acquiert un rôle promoteur et démonstrateur d’une nouvelle technologie. La dimension expérimentale de la technologie définit des acteurs différents à l’origine de la conception des bâtiments.

Architectes, ingénieurs, biologistes, ou encore institutions politiques initient et coordonnent les projets.

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Le corpus primaire est composé du projet BIQ House réalisé dans le cadre de l’IBA Hambourg, du projet de façade UrbanLAB réalisé dans le cadre du développement des photo-bioréacteurs de la société française Ennesys, et du travail de l’agence d’architecture X-TU réalisé en coopération avec le pôle Advancity. Chacun des projets est conçu dans une optique de démonstration et/ou d’optimisation des dispositifs. Les acteurs à l’origine de leur conception étant différents, les projets font l’objet d’une intégration architecturale plus ou moins adaptée au bâtiment et révèlent des niveaux d’intégration variable. Répondant à des problématiques de développement différentes, il peut s’agir d’intervenir sur l’ensemble du cycle de production, d’étudier l’échelle d’intégration ou de tester et promouvoir le rendement des bioréacteurs.

Un corpus secondaire composé de projets réalisés dans le cadre de concours à idées, permet d’étudier l’application des photo-bioréacteurs dans le cadre d’une réhabilitation. Si les photo-bioréacteurs sont conçus pour assurer une efficacité énergétique aux bâtiments, il est légitime de s’interroger sur la typologie des constructions auquel ils s’adressent. La technologie de cultures à micro-algues permet-elle de faire évoluer les constructions existantes ou se limite-t-elle à une architecture neuve?

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INTEGRATION

PROJET

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Tour BiO2

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Façade ou toit

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1. Bioréacteur tubulaire (unité)

Enveloppe

Process Zero GSA Building

3. Bioréacteur plat

Enveloppe

Symbio2

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2. Bioréacteur tubulaire (réseau)

4. Bioréacteur tubulaire en spirale

Toit

5. Bioréacteur plat masqué par maille ou résille

Façade

Green Loop, Marina City

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FORME

UrbanLAB

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Ce mémoire propose donc d’étudier le rôle architectural des photo-bioréacteurs et leur intégration aux bâtiments.

Il s’agit premièrement de comprendre le processus industriel et la complexité du système en étudiant les propriétés biologiques des micro-algues, leur fonctionnement en photo-bioréacteur et la transformation de la matière en énergie. La complexité du système permet d’identifier clairement les enjeux, défis et limites d’application au domaine architectural.

En portant les réflexions sur les questions d’échelles, il s’agit alors de comprendre une intégration quantitative des systèmes. Le rendement, les coûts et la surface d’application destinent les photo-bioréacteurs à une échelle de construction minimum pour assurer une efficacité énergétique. La complexité du processus et la surface minimale nécessaire à son efficacité permettent d’identifier les typologies et programmes de construction adaptés à leur intégration.

L’adaptation et la mise à l’échelle des systèmes ne suffisent pas à modifier un dispositif des techniques en dispositif architectural. Pour une intégration efficace et optimale à l’enveloppe, de nombreux critères architecturaux doivent intervenir dans la conception des photo-bioréacteurs. Si la performance et le rendement sont les objectifs principaux, l’écriture architecturale ne doit pas en dépendre. De l’adaptation à l’intégration, il faut faire preuve de subtilité.

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1. BIQ House, IBA Hambourg Projet d’un immeuble de 15 logements réalisé dans le cadre de l’exposition architecturale IBA à Hambourg.

Fin de construction mars 2013 IBA Hambourg

2. UrbanLab, Ennesys Pilote industriel de façade intégrant des photobioréacteurs réalisé par l’architecte Manuelle Gautrand (façade de gauche) et Axel Schoenert (façade de droite).

Début de construction juin 2013 Axel Schoenert

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CORPUS

BIQ House Conçu dans le cadre de l’exposition internationale d’architecture (IBA) Hambourg 2013, le BIQ House est un des cinquante projets proposés pour «penser le futur d’une métropole». Les IBA sont des expositions architecturales allemandes particulières.

Conçues comme «promoteurs» d’une nouvelle culture architecturale et de l’urbanisme jusqu’en 1987 (IBA Berlin), elles ont depuis les années 2000 l’ambition de constituer un laboratoire urbain à ciel ouvert. Plateforme d’exposition à grande échelle, l’IBA d’Hambourg fait évoluer les principes de conception et de planification urbaine d’une exposition. Aujourd’hui une IBA est avant tout un laboratoire d’idées à durée limitée pour le développement de solutions et d’alternatives en proposant des édifices modèles et démonstrateurs. L’IBA d’Hambourg s’articule autour de trois thématiques principales: le cosmopolitisme, l’aménagement des franges urbaines et la lutte contre le changement climatique. Le BIQ House se développe suivant le troisième thème, en axant sa réponse sur les problématiques énergétiques.

Situation: Hambourg, Allemagne Date de construction: mars 2013 Programme: 15 logements de 50 à 100m² Niveaux: R+4

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UrbanLAB UrbanLAB, est un projet pilote industriel à l’initiative de la société française Ennesys. Dans le cadre de la phase R&D de leurs photo-bioréacteurs, la société a sollicité le travail de deux architectes visant à travailler sur une intégration en façade. Manuelle Gautrand a imaginé une façade (gauche) axée sur la simplicité constructive et le caractère brut et industriel des photo-bioréacteurs, tandis qu’Axel Schoenert a réalisé une façade (droite) masquant les bioréacteurs derrière une résille métallique. Visibles ou partiellement masqués, les photo-bioréacteurs s’intègrent au bâtiment. Le rôle des architectes dans ce projet est principalement de s’approprier la technologie et les systèmes brevetés par l’entreprise pour travailler à la fois sur la forme et l’échelle des systèmes. Cette étude morphologique pousse à s’interroger sur l’impact des photo-bioréacteurs sur le paysage urbain, et sur l’acceptation des dispositifs exposés.

Situation: Nanterre, pilote industriel Date de construction prévue: juin 2013

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1. Tour BiO2, X-TU Projet d’une tour de bureaux à Paris réalisée par l’agence d’architecture X-TU. X-TU archtiecture

2. Symbio2 Programme de recherche de mur rideau à microalgues par Advancity.

X-TU architecture

3. Green Loop Projet de réhabilitation des Marina Towers situées à Chicago par l’agence d’architecture InfluxStudio.

Réalisé dans le cadre du concours Algae Competition 2011 et du plan d’action CCAP. (concours) Christian Canonico, InfluxStudio

4. Process Zero, HOK/ Vanderweil Projet de réhabilitation du GSA building situé à Los Angeles réalisé dans le cadre du concours Metropolis competition Retrofit Resolution.

L’architecte Sean Quinn greffe à l’existant une nouvelle enveloppe composée de bioréacteurs.

Metropolis competition

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TourBio2, Tour Algae et Symbio2 Programme de recherche et projets de tours développés sous l’initiative et la coordination de l’agence d’architecture X-TU dans le cadre du pôle Advancity.

La complémentarité des connaissances et des aptitudes des acteurs, associent les disciplines de recherche (laboratoire GEPEA), d’étude technique (RFR), et de conception architecturale. La coopération entre les différents acteurs permet d’étudier les problématiques d’intégration aussi bien quantitative que sur l’aspect plastique et le rendu des systèmes. Leur travail engagé depuis quelques années et l’évolution des photo-bioréacteurs traduisent une volonté de s’approprier la technologie, dans le but d’intégrer et non pas d’adapter les prototypes industriels à l’édifice architectural.

Tour BiO2 Tour Algae Situation: La Défense - Nanterre Situation: Paris Programme: bureaux Programme: bureaux Superficie: 72800m² Superficie: 104200m²

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Green Loop Projet de réhabilitation des Marina Towers à Chicago par l’agence d’architecture InfluxStudio. Projet conceptuel, il s’inscrit dans l’optique d’intégrer les photobioréacteurs à une construction datant des années 60, en repensant sa morphologie et son fonctionnement. L’objectif étant d’inscrire une réhabilitation énergétique et dépolluante pour répondre aux caractéristiques du Chicago Climate Action Plan (voir annexe 1.3).

Situation: Chicago, Illinois, USA Date de construction: 1960 (réhabilitation) Programme: logements, parkings et commerces Niveaux: R+61 (tour de 179m)

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Process Zero Retrofit Resolution, HOK/ Vanderweil Projet de réhabilitation du GSA Office Building situé à Los Angeles. Bâtiment datant des années 60, Sean Quinn, architecte à HOK/ Vanderweil, greffe une enveloppe composée de culture à micro-algues à l’existant. Réalisé dans le cadre du concours Metropolis Magazine’s Next Generation Design Competition 2011, le projet répond à la directive d’une réhabilitation énergétique visant à réduire les émissions de gaz à effet de serre du bâtiment et tendre vers une neutralité carbone.

Situation: Los Angeles, Californie, USA Date de construction: 1965 Programme: Bureaux Superficie: 5000m² Niveaux: R+6

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Photo-bioréacteurs - Gaëlle Louyot

Alimentation Lumière

Agriculture

Nutriments

Aquaculture

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Biocarburant

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Ingénerie environnementale

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PHOTOBIOREACTEUR

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Micro-algue

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Cosmétique

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Lumière (rayonnement indirect)

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Nutriment

Micro-algues (Ressources)

Croissance en bassin (PBR)

Séparation en 3 produits (eau, huile, et biomasse)

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aliments

1. Fonctions des photo-bioréacteurs Les photo-bioréacteurs sont des réservoirs contenant des cultures à micro-algues. Exposés à la lumière, la réaction photosynthétique transforme les micro-algues en biomasse algale, utilisée dans de nombreux domaines.

IGV Biotech

2. Photosynthèse des micro-algues Alimentés par le CO2, l’eau, les nutriments et exposés à la lumière, les cultures en bioréacteur de micro-algues réagissent par photosynthèse.

En fin de croissance, les micro-algues produisent biomasse et huile végétale, ressources énergétiques transformées en énergie thermique et électrique.

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Photo-bioréacteurs: Technologie et processus industriel

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1.1 Technologie et contexte

Développement durable et ressources renouvelables La technologie de culture à micro-algues s’inscrit dans une optique de production d’énergie basée sur la transformation de biomasse1. Principale ressource énergétique renouvelable produite en France, la biomasse est une filière en plein essor. En 2011, la production d’énergie primaire d’origine renouvelable en France est de 11 278 ktep2 à partir de biomasse (bois-énergie, biocarburant et biogaz) contre 1 052 ktep éolien et 173 ktep photovoltaïque.3 Le contexte actuel de développement durable nécessite de construire avec les ressources locales et renouvelables. La technologie des photo-bioréacteurs axée sur une production, transformation et gestion locale d’énergie, propose donc une alternative durable.

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Etat de l’art en France, pourquoi est-ce une alternative prometteuse?

En France, l’état de l’art progresse depuis les années 2000. La situation géographique du territoire présentant un littoral maritime riche, offre à la France la possibilité d’étudier, cultiver et sélectionner de nombreuses espèces de micro-algues. Dans son rapport sur le colloque national Algues, filières du futur, Julie Person affirme que: « la France et notamment la Bretagne, ont des savoirs- faire importants, particulièrement en termes de production, de transformation et de formulation, ce qui leur permet d’exporter de plus en plus de produits».4 La proximité, la quantité, et la qualité des ressources sont essentielles pour un développement optimal de la technologie. Les laboratoires français de plus en plus nombreux font progresser la recherche et le développement de la technologie (voir annexe 1.1 p79). Ainsi les laboratoires de recherches tel que le GEPEA à Nantes, et Algosource technologie spécialisé dans l’ingénierie coopèrent avec architectes et ingénieurs pour intégrer efficacement les photo-bioréacteurs aux bâtiments. Depuis 2010, la société française Ennesys propose d’intervenir sur l’ensemble du cycle de production, en 1

Matière organique d’origine végétale ou animale qui, par sa combustion produit de l’énergie.

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kilotonne d’équivalent pétrole (ktep)

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Source: Ministère de l’écologie, du développement durable et de l’énergie. Données

calculées par le SoeS (Service de l’observation et des statistiques) 4

PERSON Julie. Algues, Filières du Futur, Livre turquoise, Colloque du 17-19 nov 2010, Ed. Adebiotech,

Romainville, Juillet 2011 «introduction générale» -VI

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Photo-bioréacteurs - Gaëlle Louyot

Projet Contexte Début de construction Fin de construction Superficie au sol (brute) Niveaux Nb logements Surface des logements Investisseur Co-investisseur Concept

BIQ House IBA Hambourg démonstrateur 01.12.2011 prévue 03.2013 1600 qm R+4 15 50 à 100 qm KOS Wulff Immobilien GmbH Strategic Science Consult GmbH Splitterwerk (architectes) Arup GmbH B+G ingénieur Frankfurt Immosolar GmbH Hambourg SSC GmbH hambourg SSC GmbH hambourg Arup GmbH Colt International Plat Façade 200m² 129 unités

Echelle constructive (typologie et superficie)

Besoins de surface pour l’application (quantité)

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PBR R&D (en hydrobiologie) Coordination et développement Construction et assemblage Forme Application Surface d'application Nombre de PBR

4. Modifications et optimisations Perspectives illustrant l’évolution du projet.

Suite aux recherches et développement des performances des cultures, volumétrie du bâtiment et nombre de PBR sont modifiés.

IBA Hambourg

4

5. Echelle constructive adaptée Fiche technique démontrant le rapport entre morphologie/ typologie constructive, et surface d’application/ nombre de photo-bioréacteurs.

Ces deux rapports définissent l’échelle de construction minimale.

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Questions d’échelles

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2.1 Rendement et surface d’application minimum

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Coûts Lors du colloque national Algues, filière du futur1 du 17-19 novembre 2010, les coûts associés à la production de micro-algues identifiés par ordre d’importance sont: la main d’œuvre, les approvisionnements (eau, nutriments, CO2 etc.) et produits chimiques, les installations puis l’énergie nécessaire au processus industriel. Ces coûts constituent un frein économique majeur pour l’application des photo-bioréacteurs au bâtiment. Le processus industriel très onéreux, doit être compensé par: la réduction de consommation d’énergie (liée aux fonctionnalités de l’enveloppe), la réduction de consommation d’eau (processus de recyclage) et/ ou le rendement énergétique (chaleur et électricité) issue des ressources locales et renouvelables suffisamment élevées.

La proximité des ressources et le processus industriel intégralement effectué à l’échelle du bâtiment, permettent de réduire les coûts liés à l’énergie grise. Lors d’un entretien, Jean-Louis Kindler, directeur technique à Ennesys, a annoncé une réduction de 80% de la consommation d’eau pour une tour, par la mise en place du processus de réutilisation des eaux usées. Des procédés qui permettent une économie et une réduction de la consommation d’énergie mais ne peuvent suffire à amortir les coûts d’un processus aussi complexe.

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Performance et rendement La performance de l’enveloppe est capitale pour une intégration quantitative efficace. Tant sur le plan du rendement (quantité d’énergie produite) que sur un fonctionnement optimal et constant des bioréacteurs. Le rendement dépend de la physiologie des souches de micro-algues, du nombre de récoltes journalier, du cycle de production et de la morphologie des bioréacteurs utilisés. C’est l’ensemble de ces critères qui permet d’optimiser les cultures et le processus industriel.

L’efficacité énergétique du bâtiment dépend alors du: - Rendement et consommation énergétique Le rendement doit toujours être au minimum égal à la consommation énergétique 1

«Micro-algues». Algues, Filières du Futur, Livre turquoise, Colloque du 17-19 nov 2010, Ed. Adebiotech,

Romainville, Juillet 2011. Chap. 1 p.17

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1. Modéles de bioréacteurs tubulaires appliqués Façade double peau composée de réacteurs tubulaires d’un diamètre supérieur à 20cm, d’une première façade en verre fixe et d’une façade interne incluant un système de protection solaire.

X-TU architecture

2. Modéles de bioréacteurs plan intégrés en mur rideau Mur rideau qui alterne dans sa composition, module bioréacteur et module vitrée.

X-TU architecture

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3. De l’adaptation à l’intégration

3.1 Du dispositif industriel au dispositif architectural

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Industrie et architecture Du dispositif industriel au dispositif architectural, il ne peut s’agir d’une mise à l’échelle. L’industrialisation interroge sur la construction, l’assemblage, la modularité, ou encore la standardisation. L’architecture interroge sur la taille, la matérialité, l’épaisseur, le visible ou le masqué, le poids etc. Pour une intégration architecturale des photo-bioréacteurs efficace, les caractéristiques industrielles et architecturales des dispositifs doivent être complémentaires et proposer une réponse cohérente.

L’ensemble de ces critères définissent l’apparence, les fonctionnalités (énergétique et architecturale), la performance et la construction des photo-bioréacteurs.

Entre industrialisation et architecture, les réflexions sont antagonistes mais les réponses sont complémentaires. Pour atteindre une intégration et non une adaptation des dispositifs, il s’agit d’intégrer des critères et propriétés architecturales dans le processus de conception, tout en conservant la performance et les fonctions primaires des photo-bioréacteurs. Entre industrie, architecture et ingénierie, la technique permet de conjuguer et d’associer des propriétés constructives à des propriétés architecturales. L’unité du module répond par exemple aux questions de standardisation, de simplicité constructive liée aussi bien à la construction qu’à la composition de la façade.

Les propriétés primaires des photo-bioréacteurs définissent par essence une écriture plus portée sur la technique et l’innovation. Mais la matière végétale, permet aussi de faire évoluer l’enveloppe au rythme des cultures, journées, climats et saisons. L’écriture architecturale qu’elle peut proposer doit être un critère de conception. L’enjeu d’une intégration et non d’une adaptation architecturale est de s’affranchir un minimum des caractéristiques techniques et énergétiques de la technologie pour concevoir un dispositif architectural.

De l’adaptation à l’intégration Comment faire évoluer un dispositif industriel en dispositif architectural?

Entre stade expérimental et prototype industriel, les photo-bioréacteurs ne peuvent s’intégrer directement à l’architecture. Jusqu’à présent utilisés pour des centrales de production ou une application sur quelques bâtiments industriels, la problématique d’aspect et d’intégration architecturale n’était pas soulevée.

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Vision romantique

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Architecture organique La maison sur la cascade, F. L. Wright

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Ecailles de requin vue au microscope associée au Singapore arts center

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Mur végétal au Musée de quai Branly à Paris

Mur rideau composé de cultures à micro-algues d’X-TU. Symbiose entre nature et architecture

Vision pragmatique

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NATURE / ARCHITECTURE

La nature est une source d’inspiration, d’imitation, et de réflexions. Les éléments qui la constituent, ses formes, ses matières et ses comportements composent une bibliothèque de références presque infinie. Pour l’architecte, le peintre ou encore le philosophe, elle éveille notre imagination et pousse à l’interrogation.

Le rapport entre nature et architecture, et la vision que l’on peut en avoir ne cesse d’évoluer (1). Pourtant, les liens plus conceptuels que physiques entre les deux notions rendent sa définition complexe. L’architecte puise son inspiration dans tout ce qui l’entoure. Si la nature constitue l’environnement et le monde physique dans lequel on s’inscrit, l’architecte y porte un grand intérêt. S’inspirer d’un paysage, réinterpréter un élément naturel ou encore construire en harmonie avec le site, il s’agit dans chacun des cas d’une approche conceptuelle. Franck Lloyd Wright figure parmi les architectes souhaitant bâtir une architecture intégrée au site et à la nature. Autrement dit, une architecture organique respectueuse de son environnement. La relation entre la nature et l’architecture communique ici une vision romantique s’adressant à nos sens et émotions.

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L’architecture comme la nature sont en constante évolution. De l’inspiration à l’imitation, l’approche sensorielle a laissé place à une approche plus scientifique et technique. Les réflexions se sont alors progressivement portées sur le métabolisme de la nature et de ces constituants. La forme, la matière et le comportement des organismes sont devenus le véritable sujet d’étude. Il s’agit de s’inspirer du vivant pour le reproduire. L’approche conceptuelle entre nature et architecture laisse place au mimétisme. Le principe étant d’appliquer des formes et mécanismes du vivant au domaine de l’architecture. Observer le comportement structurel, la forme ou les liaisons d’un organisme (végétal ou animal) permet d’assimiler des propriétés naturelles à des propriétés constructives et de définir des caractères communs. En étudiant par exemple la composition et la forme d’un fossile ou d’un micro-organisme, on peut en déduire un schéma structurel et le reproduire pour organiser l’ossature d’un bâtiment. Le biomimétisme offre une vision poétique de la pensée structurelle.

Mais l’inspiration et l’imitation ne rendent pas les choses réelles. Entre architecture organique ou biomimétisme, le rapport entre nature et architecture reste purement

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théorique et conceptuel. Les relations contextuelles d’une architecture organique ne peuvent être traduites dans l’écriture du bâtiment. Les relations formelles et structurelles peuvent être identifiées mais reste simplement figuratives. Comment peut-on alors traduire visuellement et efficacement la relation entre nature et architecture?

En assimilant matière et comportement, on réinterroge le rôle et la fonction que peut avoir la nature dans l’architecture. La matérialité établit un lien direct et visuel, tandis que le comportement permet d’étudier le mécanisme entre un organisme et son environnement. Si un bâtiment et une matière végétale agissent tout deux sur et avec leur environnement, pourquoi ne pas les associer?

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En intégrant une matière végétale aux bâtiments, on connecte d’une façon directe et immédiate la nature à l’architecture. Introduire la matière végétale à l’architecture, c’est conjuguer le vivant et l’inerte; associer un phénomène figé à une matière animée.

L’optique n’étant pas de fusionner nature et architecture par un aspect purement esthétique, la matière végétale doit s’intégrer avec subtilité et se justifier. Il ne s’agit plus d’assimiler des propriétés formelles, mais d’analyser les propriétés et réactions chimiques des végétaux. Dépendant de leur environnement, l’ensemble des comportements de ces organismes proposent des solutions durables au changement climatique s’ils sont intégrés aux bâtiments. En s’adaptant au rythme des saisons et des climats, la matière végétale manifeste ici une architecture vivante aux qualités énergétiques recherchées (régulation thermique, filtre solaire, isolation etc.). La végétalisation de mur et façade a initié cette relation énergétique et climatique. Mais sous cette forme, l’application brute de matière végétale au bâtiment reste encore trop figurative et attachée à une vision poétique. Depuis quelques années, on assiste à l’introduction d’agriculture urbaine dans le tissu urbain. Agissant comme un « poumon » vert pour le bâtiment, la ferme urbaine associe production agricole et régulation de la qualité de l’air. Entre production et confort énergétique, autogestion et autonomie, la matière végétale vie et maintient en vie l’architecture. Une vision utopique d’agriculture en ville.

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Mais la particularité des photo-bioréacteurs est de connecter nature et architecture à l’échelle du microcosme. L’étude des comportements d’un organisme végétal doit porter aussi bien sur son métabolisme que sur ses réactions avec l’environnement.

C’est dans ces conditions qu’on obtient une connaissance détaillée des mécanismes (internes et externes). Comprendre ce processus biologique, permet de définir clairement le rôle architectural que la matière végétale peut avoir.

Même si la régulation thermique est une propriété intéressante, la production et la transformation d’énergie l’est bien plus dans le contexte actuel. La consommation énergétique d’un bâtiment étant limitée à 50 kWh/m²/an par la RT2012 et les énergies fossiles non renouvelables, le bâtiment tend à devenir autosuffisant.

Au cœur de la technologie des micro-cultures, la matière végétale est employée comme vecteur énergétique et ressource renouvelable. Grâce à la réaction photosynthétique des végétaux, la matière végétale sous forme de microorganismes permettrait d’amortir et de corriger les effets plus ou moins néfastes d’un bâtiment sur l’environnement. En utilisant le processus biologique de

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La nature exposée est alors constituée de micro-organismes alimentés par les eaux usées et l’architecture prend des teintes chlorophylles. Une complexité du système et une écriture architecturale qui ne sont probablement pas au goût de tous. La vision romantique et poétique laisse place à une vision plus pragmatique et plus subtile.

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transformation d’énergie solaire en énergie chimique, les micro-algues cultivées dans le photo-bioréacteur permettent de produire l’énergie nécessaire au fonctionnement du bâtiment, et de dépolluer l’atmosphère. Agissant comme un écosystème au cœur et au service du bâtiment, la matière végétale est ici intégrée bien plus efficacement.

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LEXIQUE

Bioénergie Le terme de bioénergie englobe toutes les formes d’énergie biologiques utilisant des substances végétales ou animales comme matière de base pour la production d’énergie. Energie renouvelable, il peut s’agir de gaz, liquides et de matières solides issus directement ou indirectement de sources d’énergie primaire organique. A l’égard du bilan carbone, la bioénergie est définie comme neutre.1 Biogaz Mélange gazeux généralement composé de 50 à 75% de méthane, de 25 à 50% de dioxyde de carbone, ainsi que de vapeur d’eau, d’ammoniac, d’oxygène et d’acide sulfhydrique. Les substrats (protéines, graisses et hydrates de carbone) et déchets organiques sont les produits de base utilisés pour la production de biogaz. Pouvoir calorifique entre 5,5 et 6,25 kWh/nm².2

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Biomasse Matière organique d’origine végétale ou animale qui, par sa combustion produit de l’énergie. La biomasse peut être ligneuse (bois, paille et autres fibres) convertie en chaleur et électricité ou fermentescible (liquide) convertie en biogaz. Les procédés de conversion thermique (pyrolyse, gazéification, combustion directe) ou biochimique (digestion anaérobie ou méthanisation) sont déterminés par le pouvoir calorifique et la nature de la biomasse.

En 2011, la production d’énergie primaire d’origine renouvelable en France est de 11 278 ktep à partir de biomasse (bois-énergie, biocarburant et biogaz) contre 1 052 ktep éolien et 173 ktep photovoltaïque.3 Energie primaire Le terme énergie primaire désigne l’énergie présente dans l’environnement, qui n’a pas subit de transformation technique. Les combustibles fossiles et nucléaires ainsi que les énergies renouvelables (hydraulique, éolienne, solaire, géothermie et 1

GEITMANN Sven. Energies Renouvelables et carburants alternatifs, Ed. Hydrogeit, 2007, p.117

2

GEITMANN Sven. Energies Renouvelables et carburants alternatifs, Ed. Hydrogeit, 2007, p.118

3

EDF. La biomasse, énergie nouvelle et renouvelable. < http://energie.edf.com/energies-nouvelles/

biomasse-47908.html> et SOES, Ministère de l’écologie, du développement durable, et de l’énergie. Bilan énergétique de la France pour 2011. Juil 2012

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Energie renouvelable Les énergies renouvelables (EnR) sont des formes d’énergie primaire définies comme «inépuisables» (dont la consommation ne diminue pas la ressource à l’échelle humaine). Issues de phénomènes naturels liés à l’énergie de la terre, du soleil, du vent et de la gravitation, ces formes d’énergies sont dites «propres» (participent à la lutte contre l’effet de serre et les émissions de CO2 dans l’atmosphère).2

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bioénergie) sont des formes d’énergie primaire.1

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Energie secondaire L’énergie secondaire est une énergie issue d’un processus de transformation.

Plus facile à stocker, transporter et utiliser que les énergies primaires, elle est généralement considérée comme «vecteur énergétique». Par exemple, l’hydrogène (ou dihydrogène) est utilisé comme intermédiaire pour transporter et convertir (par combustion dans une pile à combustible) l’énergie sous sa forme finale (électricité).3 Micro-algue Organisme unicellulaire généralement inféodé aux zones humides, il est constitué d’une quantité variable de pigments photosynthétiques (la chlorophylle étant le pigment primaire). Les micro-algues se développent grâce à un ensemble complexe de réactions biochimiques. Ces micro-organismes suivent le plus généralement une croissance photoautotrophe (avec lumière) et possèdent un cycle de division très court (quelques heures) permettant la production rapide de biomasse (riche en lipide).4

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Photo-bioréacteur Les photo-bioréacteurs (PBR) sont différents types de réservoirs ou systèmes fermés, exposés à la lumière (artificielle ou solaire) dans lesquels les algues sont cultivées. La culture d’algues consiste en une seule ou plusieurs souches spécifiques optimisées pour la production de biomasse. Le bioréacteur est l’élément central d’un processus industriel complexe de transformation, production et stockage d’énergie.5

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Photosynthèse Processus bioénergétique qui permet aux plantes et à certaines bactéries de synthétiser de la matière organique en exploitant la lumière du soleil. La réaction d’une oxydation du CO2 par l’eau convertit l’énergie lumineuse en énergie chimique.

Elle permet de fixer le dioxyde de carbone (atmosphérique ou dissous dans l’eau) à 1

GEITMANN Sven. Energies Renouvelables et carburants alternatifs, Ed. Hydrogeit, 2007, p.117

2

Ministère de l’écologie, du développement durable et de l’énergie, Energies renouvelables. < http://www.

developpement-durable.gouv.fr> 3 wikipedia 4

PERSON Julie. Les micro-algues. In: Algues, Filières du Futur, Livre turquoise. Colloque du 17-19 nov 2010,

Ed. Adebiotech, Romainville, Juillet 2011. Chap. 2 5

PERSON Julie. Les micro-algues. In: Algues, Filières du Futur, Livre turquoise. Colloque du 17-19 nov 2010,

Ed. Adebiotech, Romainville, Juillet 2011. Chap. 2

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Physiologie La physiologie (du grec φύσις, phusis, la nature, et λόγος, logos, l’étude, la science) étudie le rôle, le fonctionnement et l’organisation mécanique, physique et biochimique des organismes vivants et de leurs composants (organes, tissus, cellules et organites cellulaires). La physiologie étudie également les interactions entre un organisme vivant et son environnement.2

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partir de l’énergie lumineuse pour produire de la biomasse.1

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Pigment photosynthétique Composant biochimique des micro-algues et paramètre fondamental à la photosynthèse. La chlorophylle (pigment primaire et majoritaire) agit comme catalyseur à la réaction en captant les photons de différentes longueurs d’onde.3

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Pile à combustible La pile à combustible convertit directement l’énergie chimique stockée dans l’hydrogène en électricité (une seule étape de conversion limite les pertes). Le principe de fonctionnement repose sur une inversion de l’électrolyse (dissociation de l’eau et des éléments constitutifs à l’aide de courant électrique).4

1 wikipedia 2 wikipédia 3

PERSON Julie. Les micro-algues. In: Algues, Filières du Futur, Livre turquoise. Colloque du 17-19 nov 2010,

Ed. Adebiotech, Romainville, Juillet 2011. Chap. 2 4

GEITMANN Sven. Energies Renouvelables et carburants alternatifs, Ed. Hydrogeit, 2007, p.136

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BIBLIOGRAPHIE

Energie, environnement, développement durable

Livres GEITMANN Sven. Energies Renouvelables et carburants alternatifs, Ed. Hydrogeit, 2007 DE ROSNAY Joël. Energie et développement durable. In: 2020: les scénarios du futur, «comprendre le monde qui vient», Ed. Des idées et des hommes, Chap. 3, p 121-160 Publications RICHARDSON Katherine, STEFEN Will... [et al.] Synthesis report for climate echange, «global risks, challenges and decisions», University of copenhagen, Danemark, 1012 March 2009, p.28. Disponible sur http://climatecongress.ku.dk/ IPCC, Carbon Dioxide Capture and Storage, Cambridge University Press, Cambridge, 2005

2.

Photo-bioréacteurs. Etat de l’art et principes

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Bibliographie spécifique au corpus

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Disponible sur <http://www. splitterwerk.at/database/main.php?mode=view&album=2010__ S m a r t _ Tre e f ro g & p i c = 0 1 _ wo rd s. j p g & d i s p s i ze = 3 2 0 & s t a r t = 0 > COLT International, Bureau d’étude. Disponible sur <http://www.colt-info.de/news/ bioreaktor-fassade-als-energielieferant/> OTTO Wulf Bauunternehmung GmbH, BIQ Am Inselpark, Aktuelle Bauprojekte.

Disponible sur <http://www.otto-wulff.de/projekte/aktuelle-bauprojekte/biq-aminselpark.html> 3.2 Tour BiO2 et Prototypes Symbio2. X-TU Articles et publications NAMAS Olivier. Immeuble de Bureaux ou champ d’algues? «La Tour bio² de X-TU», D’Architectures, déc. 2010, suppl. au n°196.-P. 38-40 POIREAU Kevin, Symbio2 dévoile ses premiers prototypes de capteurs solaires

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Sites internet X-TU, Architectes. <www.x-tu.com> ADVANCITY, Le site du pôle de compétitivité de la ville durable et des éco-technologies urbaines. < http://www.advancity.eu/>

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Vidéo CITE DE L’ARCHITECTURE, Conférence X-TU architectes, <http://www.dailymotion. com/video/xnqibd_x-tu-architects_creation#.UMC-dXdXt8E>

3.3 UrbanLAB. Ennesys Articles et publications GOUDET Jean-Luc, Bientôt des algues sur les toits pour produire de l’énergie, 1 aout 2012. Disponible sur <http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/developpementdurable-1/d/bientot-des-algues-sur-les-toits-pour-produire-de-lenergie_40390/> HABITAT DURABLE, Enveloppe d’algue pour nos bâtiments. Aout 2012. Disponible sur <http://www.blog-habitat-durable.com/article-enveloppe-d-algues-pour-nosbatiments-108439124.html> Sites internet ENNESYS SAS. Ennesys Environnemental Energy. Entreprise innovation . Disponible sur <www.ennesys.com> ASAA, Axel Schoeenert Architectes Associés. <http://www.as-architecture.com/ fr/>

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Vidéo HADRIEN Richard, Ennesys: l’énergie par les algues. 13 sept. 2012. <http://www. youtube.com/watch?v=gLXieH8VeTM>

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ANNEXES

Photo-bioréacteurs, perspectives d’avenir

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Micro-algues: espèces, sélection et propriétés

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Hydrogène, piste énergétique

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Décarbonisation, le rôle des photo-bioréacteurs

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Etat de l’art: prototypes

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Prototypes de bioréacteurs

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Photo-bioréacteurs et architecture

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Compléments documentaires par projets

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Innovation technique et énergétique, les photo-bioréacteurs s’intègrent progressivement à l’architecture. Technologie de culture à micro-algues, ils transforment une ressource renouvelable et produisent de l’énergie thermique ou électrique pour satisfaire la consommation des bâtiments. Entre stade expérimental et phase d’industrialisation, les photo-bioréacteurs interrogent sur leurs perspectives d’intégration et reformulent la relation entre nature et architecture.

La relation entre nature et architecture est complexe et ambigüe. Source d’inspiration ou d’imitation, la nature à toujours proposée une vision romantique et poétique lorsqu’elle est associée à l’architecture. Jusqu’ici, leur relation se définissait par une construction en harmonie avec le site ou s’appuyait sur des caractères formels et structurels communs. La particularité des photo-bioréacteurs est de proposer une définition en étudiant non plus la forme et le contexte, mais la matière et le comportement de la végétation. Ainsi, la nature s’intègre à l’architecture sous la forme de matière végétale. Mais conjuguer l’inerte au vivant, associer un ensemble figé à une matière en activité, est synonyme de complexité.

En étudiant la physiologie des micro-algues, leur fonctionnement en photobioréacteur et la transformation de la matière en énergie, on saisit la complexité des systèmes et du processus industriel. Les actions et réactions entre la matière et son environnement multiplient les rôles et fonctionnalités des photo-bioréacteurs.

Pour assurer une efficacité énergétique, rendement, coûts et surface d’application destinent les photo-bioréacteurs à une échelle de construction minimum. Du dispositif technique au dispositif architectural, le photo-bioréacteur s’intègre sous la forme de mur rideau ou double peau. Membrane énergétique et climatique, elle se greffe à l’existant ou aux constructions neuves, aux tours ou éco-îlots, aux logements ou bureaux. Mais de l’adaptation à l’intégration, les photo-bioréacteurs s’affinent et se déforment. Composition, couleur et cinétique de la matière proposent alors une nouvelle écriture architecturale.

La nature exposée est alors constituée de micro-organismes alimentés par les eaux usées et l’architecture prend des teintes chlorophylles. Une complexité du système et une écriture architecturale qui n’est probablement pas au goût de tous.

La matière végétale intégrée au bâtiment sous forme de micro-algues, fait ainsi interagir nature et architecture en synergie. La vision romantique et poétique laisse place à une vision plus pragmatique et plus subtile.

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Both a technical and an energetic innovation, photobioreactors become progressively integrated into architecture. A micro-algae growth technology, it transforms them into a renewable resource to produce either thermal or electrical energy to cover building’s needs. In a current state hovering between prototyping and full-scale industrialization, photobioreactors questions their future integration to architecture, and reinvent the relationship between nature and architecture.

The relationship between nature and architecture is complex and ambiguous. A source of inspiration or emulation, nature always offered a poetic and romantic vision when combined with architecture. Until now, this relationship was defined through either a construction in harmony with its site or common characteristics, be it structural or formal. Photobioreactors stand out in their offer not to rely on form and context, but on organic substance and behavior. Thus nature enters architecture as organic matter. However combining inert to living, joining motionless and active materials rhymes with complexity.

Through studies of micro-algae’s physiology, the processes behind a photobioreactor and the transformation of matter into energy, one grasps both the systems’ and the industrial process’ complexity. Actions and reactions between matter and its environment multiply the photo-bioreactors’ roles and functionalities. To guarantee energy efficiency, yield, costs and application surfaces imply a minimum construction scale. Beyond a technical device, the photobioreactor becomes an architectural device, integrated in the form of a curtain wall or a double-skin façade. An energy and climatic membrane, it will graft on existing buildings as well as new ones, on skyscrapers and eco-district, on housing and office buildings.

Moving from adaptation to integration, photobioreactors become thinner and change form. Composition, color and matter’s kinematic offer a new architectural expression.

Exhibited nature is then composed of microorganisms fed with wastewater and architecture acquires chlorophyllic tints; an architectural expression and complexity that probably will not be to everyone’s liking. Organic matter integrated into buildings creates synergy between nature and architecture. Romantic and poetic vision gives way to a more pragmatic and subtle vision.