Les algues sont-elles le biocarburant ultime ? [FR]

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Alors que les biocarburants traditionnels sont sous le feu des critiques en raison de leur impact sur l’augmentation des prix alimentaires et à cause des dégâts qu’ils infligent à l’environnement, les industriels mettent en place des projets de recherche sur les algues comme alternative durable – mais de nombreux obstacles existent avant de voir le carburant à base d’algues dans nos voitures et nos avions.

En décembre 2008, l’UE a conclu un accord visant à assurer 10 % de ses besoins en carburant pour le transport grâce aux sources d’énergie renouvelable, ce qui inclut les biocarburants, l’hydrogène et l’électricité verte ; cet accord complète les discussions sur son paquet énergétique et climatique (EURACTIV 05/12/08).

« Il convient, par conséquent, de définir l’objectif contraignant d’une part de 10 % à atteindre par l’ensemble des États membres comme étant la part d’énergie finale consommée dans le transport qui doit être produite à partir de sources renouvelables dans leur ensemble, et pas uniquement de biocarburants », peut-on lire dans le texte final de la directive européenne sur les énergies renouvelables.

La nouvelle directive contraint les Vingt-sept à s’assurer que les biocarburants signifient une réduction d’au moins 35 % des émissions de carbone, en comparaison aux carburants fossiles. Ce chiffre monte à 50 % à partir de 2017 et à 60 % à partir de 2018.

Ces conditions posées sont motivées par les inquiétudes croissantes sur la durabilité des « biocarburants de première génération » disponibles actuellement – tels que biodiesel et bioéthanol – qui sont produits à partir de productions agricoles (y compris du maïs, des betteraves à sucre, de l’huile de palme et des graines de colza). 

La directive établit aussi que l’UE devrait travailler à la promotion du « développement de biocarburants de la deuxième et de la troisième générations dans la Communauté et le monde entier, et elle devrait développer la recherche agricole et l’acquisition de connaissances dans ces domaines ».

Les biocarburants de seconde génération mis au défi

Avec la pluie de critiques sur l’éthanol et le biodiesel, accusés de pousser les prix de l’alimentation à la hausse et de menacer la biodiversité, l’UE s’est engagée dans les biocarburants « de seconde génération » en tant qu’alternative plus « propre ».

Les biocarburants de seconde génération sont constitués de biomasse lignocellulosique – la partie ligneuse des plantes – et ne sont pas en compétition avec la production alimentaire. Parmi les sources, on compte les résidus agricoles et forestiers comme les feuilles, les écorces d’arbre, la paille ou les copeaux de bois ainsi que les parties non comestibles du maïs ou de la canne.

Cependant, la conversion de la biomasse ligneuse en sucres liquides demande des technologies coûteuses, impliquant des traitements préalables et une fermentation avec des enzymes spéciaux ; cela signifie que les biocarburants de seconde génération ne peuvent encore être produits à grande échelle de manière économique.

Il est peu probable que les biocarburants de seconde génération soient concurrentiels face à ceux de première génération avant 2020, affirme le Joint Research Centre (JRC) de la Commission européenne dans une étude de 2008. Et s’ils le deviennent, ils se serviront de toute façon d’une large part de biomasse importée, a ajouté le JRC, puisque les dernières études montrent qu’il n’y aura pas suffisamment de bois disponible pour satisfaire les besoins en énergie tout en continuant à alimenter les industries européennes du bois existantes.

Les algues : un haut rendement sans concurrence pour la terre 

Pour surmonter ces problèmes, certaines start-ups se sont tournées vers les « biocarburants de troisième génération ».

Le Département américain de l’énergie (DoE) les définit comme des cultures conçues dans un seul but de production de carburant, comme les herbages vivaces, les arbres à croissance rapide et les algues. Ces plantes ne sont normalement pas cultivées pour un usage agroalimentaire, et contiennent un pourcentage particulièrement élevé de biomasse, dit-il.

Au premier plan, on trouve les algues. On les considère comme les organismes les plus efficaces sur terre, de par leur taux de croissance rapide (certaines espèces peuvent doubler leur biomasse en un jour) et leur composition élevée en huile. 

La recherche sur les algues pour la production d’huile en masse se concentre essentiellement sur les microalgues ou le phytoplancton – des organismes capables de photosynthèse et d’une taille inférieure à 0,4 mm en diamètre.

Les algues peuvent produire davantage de biomasse et de molécules de biocarburant que tout plante terrestre, et bien plus efficacement en temps et en espace, selon Greg Mitchell de l’Institut Scripps d’océanographie, Université de Californie, San Diego (UCSD). Par exemple, une algue peut produire 100 fois plus d’huile végétale par acre et par an que les graines de soja et 10 fois plus que l’huile de palme, a-t-il dit au Magazine de l’OMPI, une publication de l’Organisation mondiale de la propriété intellectuelle.

Selon le géant pétrolier américain ExxonMobil, qui a récemment lancé un projet de recherche et de développement sur le sujet à hauteur de 600 millions de dollars, les algues pourraient produire plus de 2 000 gallons de carburants par acre et par année de production (7 580 litres). Les rendements approximatifs pour les autres sources de carburants sont bien inférieurs, montre le rapport :

  • Palme — 650 gallons par acre et par an (2 463 litres).
  • Sucre de canne — 450 gallons par acre et par an (1 705 litres).
  • Maïs — 250 gallons par acre et par an (947 litres).
  • Soja — 50 gallons par acre et par an (190 litres).

En conséquence, il faut beaucoup moins de sol pour cultiver des algues que des biocarburants traditionnels, ce qui tue dans l’œuf un conflit de production alimentaire qui ferait son apparition avec la production extensive des « cultures énergétiques ».

Pas besoin d’eau douce

Les algues disposent de bien d’autres avantages. Outre leurs meilleurs rendements, ils peuvent pousser sur l’océan ou des eaux usées, évitant ainsi de recourir à des ressources raréfiées en eau douce pour l’irrigation. 

Les algues poussent mieux dans l’eau de mer, qui est disponible en quantité infinie, affirme Raffaello Garofalo, directeur exécutif de l’Association européenne de la biomasse algaire (EABA). Et ce micro-organisme semble particulièrement friand d’eau de mer polluée, qui l’aide à grandir à un taux exponentiel.

Dans tous les sites marins pollués, il se produit un phénomène naturel appelé eutrophisation, qui signifie qu’il y a une prolifération des algues, explique M. Garofalo. Justement parce que la pollution procure des nutriments supplémentaires aux algues et ainsi elles poussent de plus en plus.

L’idée, poursuit-il, est de nourrir les algues avec de l’eau polluée par le biais de tubes plastiques transparents que les spécialistes de l’industrie appellent photobioréacteurs. Les algues absorbent la pollution comme nutriment, et l’eau peut être dès lors renvoyée dans la mer plus propre qu’elle n’est entrée, explique-t-il. Simultanément, les algues ont fait croître leur biomasse, qui peut être mise à profit pour les biocarburants.

Il en résulte que les algues peuvent être cultivées sur des terrains dits marginaux, tels que les zones désertiques où l’eau souterraine est salée. De plus, elles peuvent se nourrir de nutriments pollués, y compris une eau polluée produite par les industries du pétrole et du gaz.

Recyclage du carbone

De plus, on a découvert que les microalgues poussaient plus rapidement avec une alimentation en dioxyde de carbone, le principal gaz du réchauffement climatique. Injecté dans un photobioréacteur, le CO2 aide la plante à pousser plus vite tout en ouvrant une nouvelle porte au recyclage du CO2.

Si on installe les plantes à côté des usines ou des centrales énergétiques, voilà qui pourrait même ouvrir de nouvelles perspectives à la réduction des émissions de l’industrie.

Vous pourriez par exemple placer des algues près d’une usine de ciment ou d’une centrale thermoélectrique et injecter le carbone qui en sort dans le bioréacteur, explique M. Garofalo. Cela signifie que le CO2, au lieu de sortir de la cheminée, serait conduit dans le bioréacteur pour produire des algues, qui seront brûlées une deuxième fois comme carburant et alors seulement serait relâché dans l’atmosphère. Donc, le même CO2 peut être utilisé deux fois, conclut-il.

En Arizona, GreenFuel, une société privée, a développé une centrale à grande échelle de conversion d’algues en biocarburant et se sert des émissions de CO2 d’une centrale proche, l’installation Arizona Public Service Redhawk. L’installation, qui a ouvert en 2005, a remporté le Platts Emissions Energy Project of the Year Award en 2006.

Le principal défi : le coût

Cependant, un certain nombre de questions subsistent avant d’arriver à une application commerciale traditionnelle pour les algues, dont les incertitudes sur le prix ne sont pas les moindres.

Plusieurs espèces d’algues coûtent habituellement entre 5 et 10 dollars américains par kilo sec, selon des rapports américains ; des recherches sont en cours en vue de trouver le moyen de réduire le capital et les frais d’exploitation nécessaire pour faire de la production d’huile d’algue une opération commerciale viable.

Bernard Raemy, le vice-président exécutif de Carbon Capture Corporation (CCC), une société basée aux Etats-Unis qui se pose comme une pionnière dans l’industrie naissante des biocarburants à base d’algue, reconnaît que les algues font face à plusieurs défis importants. Se confiant au Magazine de l’OMPI, M. Raemy a énuméré ces derniers : la récolte des algues, la déshydratation, le séchage, l’extraction des lipides et la conversion. Des efforts de recherche coordonnés sont nécessaires pour porter la recherche du laboratoire jusqu’au terrain, a-t-il expliqué.

Les défis de la recherche : diminuer les coûts

Aux Etats-Unis, plusieurs activités de recherche et développement ont vu le jour depuis les années 1950. La plus grande était le Programme Espèce aquatiques, lancé en 1978 par le département américain de l’Energie (DoE). Le programme s’est concentré sur la recherche des souches qui auront le plus haut rendement et la plus grande quantité de lipide, tout en résistant aux fluctuations de température, en particulier lors de la culture en bassins extérieurs.

Plus de 3 000 souches de microalgues ont été réunies et testées, pour être ensuite ramenées à 300. Cependant, aucune souche ne s’est révélée convenir à tous les types de climat ou d’eau et le programme fut clôturé en 1996, quand les prix américains de l’essence sont tombés à 26 dollars le litre.

Selon une revue du Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) américain, la production extérieure en masse d’algues, en bassins ouverts, connaît encore plusieurs questions clés, à savoir :

  • Les variations de température, qui affectent la productivité et la croissance ;
  • L’invasion par des espèces natives de microalgues, qui pourraient éradiquer la souche cultivée ;
  • Les pertes en eau dues à l’évaporation ; 
  • Le pauvre contenu en lipide des algues produites dans les bassins.

Lors de leur culture en photobioréacteurs, d’autres questions surgissent, principalement :

  • Trouver le bon type de plastique ou de verre pour les tubes transparents afin d’éviter que les algues s’accumulent et fassent obstacle à la lumière ;
  • Les frais pour amener l’eau, via des tuyaux, quand les algues sont cultivées dans des zones désertiques, et ;
  • Les importants frais d’entretien des installations.

La question reste donc ouverte de savoir s’il vaut mieux cultiver les algues en photobioréacteurs ou en bassins ouverts. Et l’aspect économique est une grosse partie du problème, puisqu’une production de masse généralisée d’algues pour la production de biocarburants est entravée par le coût de l’équipement et des structures nécessaires avant de commencer à cultiver des algues en grandes quantités.

Pour la plupart des applications en matière d’algues, nous n’en sommes encore à la recherche fondamentale, selon M. Garofalo de l’EABA. La recherche est en cours pour identifier les genres d’algues ou les familles qui conviennent le mieux à la production de biocarburants. On recherche encore quelle est la meilleure forme de bioréateur ou le meilleur plastique, a-t-il détaillé.

La récolte et l’extraction de l’huile 

Ensuite vient la question de récolter les plantes. Parce que les algues sont des micro-organismes dix fois plus petits qu’un cheveu, vous ne pouvez pas les récolter avec un filet par exemple, explique M. Garofalo.

Les options de récolte comprennent la centrifugation ou la floculation chimique, qui rassemblent toutes les microalgues ensemble, mais ces procédés s’accompagnent de coûts élevés. 

Quelles que soient les espèces concernées, récolter les algues et en extraire l’huile semble être l’une des étapes critiques dans la production de biocarburants à base d’algues, selon une recherche prévue dans le cadre du programme de recherche FP7 de la Commission européenne.

Le projet, nommé Aquafuels, vise à rapprocher les chercheurs et l’industrie afin de rationaliser la future recherche européenne sur les algues.

Mais avec la nouvelle hausse du prix du pétrole, une nouvelle recherche est menée avec un enthousiasme renouvelé. Et la modification génétique semble ouvrir de nouvelles perspectives, avec de nouvelles souches d’algues testées pour leurs capacités. Le plan d’action national américain sur les biocarburants, publié en octobre 2008, semble se garder de mettre tous ses œufs dans le même panier grâce à l’ingénierie génétique : les matières premières (énergétiques) de troisième génération devraient être développées pour accroître la résistance à la sécheresse et au stress ; augmenter l’efficience en de l’utilisation des fertilisants et de l’eau ; et envisager une conversion efficiente, affirme le projet.

Impact environnemental et bilan énergétique

De plus, des questions restent ouvertes sur les possibles impacts environnementaux potentiels de la production de biodiesel à partir des microalgues.
Une analyse  du cycle de vie des algues de biocarburants, menée par des scientifiques français à l’INRA, a fait naître des inquiétudes sur l’impact environnemental de la filière toute entière, de la production de biomasse à la combustion du biodiesel.

Leurs découvertes, publiées dans le journal Environmental Science & Technology en juillet 2009, a confirmé le potentiel des microalgues comme source d’énergie, mais a aussi jeté le doute sur le bilan énergétique du procédé entier.

Se penchant sur l’énergie requise pour la production de fertilisant et la construction des bâtiments d’infrastructure, les scientifiques ont fait la distinction entre différentes cultures d’algues et techniques d’extraction de l’huile.

L’étude a comparé deux différentes conditions de culture – une fertilisation minime et une privation d’azote – ainsi que deux options d’extraction – extraction sèche ou mouillée.

En prenant en compte toutes les dépenses d’énergie du procédé, il apparaît que seule l’extraction mouillée sur des algues cultivées avec peu d’azote a un bilan positif, écrivent les scientifiques. En comparaison, d’autres scénarios mènent à des bilans énergétiques négatifs malgré une extraction d’énergie à 100 % du tourteau oléagineux.

En effet, les scientifiques ont trouvé que 90 % de l’énergie consommée dans le processus de production était affecté à l’extraction des lipides, en comparaison à 70 % avec l’extraction mouillée. Il en résulte que le bilan énergétique peut rapidement être menacé, pour finir avec une chaîne de production contreproductive, avertissent les scientifiques.

Il est alors clair qu’une recherche spécifique doit examiner en détail de nouveaux procédés de récupération des lipides avec un séchage limité de la biomasse, soulignent-ils.

En conclusion, l’étude met en lumière la nécessité impérative de diminuer la consommation d’énergie et de fertilisants dans le processus. Selon les scientifiques, la culture pauvre en azote a évidemment des exigences inférieures en fertilisants, mais implique aussi des efforts moindres de séchage et d’extraction, ce qui rend cette option très prometteuse.

Une profitabilité future des biocarburants ?

Toutefois, sélectionner la bonne souche d’algue et le bon processus de production n’est pas le seul défi à affronter avant de voir la biomasse algaire devenir un débouché commercial.

Selon l’Association européenne de la biomasse algaire (EABA), la clé pour la profitabilité commerciale future est de comprendre qu’il y a plus à tirer des algues que la seule production de biocarburants.

Il ne sera jamais économiquement viable de produire du biodiesel ou du bioéthanol à partir de la masse algaire si nous n’envisageons pas les coproduits, affirme M. Garofalo de l’EABA. Par exemple, quand vous produisez du biodiesel, le lipide ou la partie huileuse des algues représentent environ 25 à 30 % du produit. Mais que fait-on avec les 70 % restants ? Nous l’appelons un sous-produit mais aujourd’hui c’est le même produit en termes de poids, dit-il.

A part les biocarburants et le kérosène, l’EABA y voit d’autres applications : les nutriments, les produits pharmaceutiques, l’alimentation animale ou les produits bio. Dans tous ces secteurs, l’EABA affirme que les algues et la biomasse aquatique renferment un potentiel énorme pour  réussir une vraie révolution vers une économie pleinement durable.

Avec les prix élevés du pétrole qui encouragent la recherche d’alternatives, les compagnies pétrolières s’intéressent de plus en plus dans les carburant à base d’algues.

La compagnie pétrolière américain ExxonMobil a lancé récemment un programme de recherche de 600 millions de dollars en coopération avec Synthetic Genomics, Inc. (SGI) pour développer, tester et produire des biocarburants à partir d’algues photosynthétiques.

Si un travail important et des années de recherche et de développement doivent encore être faits, au mieux, les carburants à base d’algues pourraient aider à satisfaire la demande mondiale croissante en carburant de transport tout en réduisant les émissions de gaz à effet de serre, a affirmé Michael Dolan, premier vice-président de ExxonMobil.

Selon M. Dolan, la recherche se concentrera d’abord sur le test de différentes souches d’algues pour leur potentiel de production de carburant. Ici, la recherche peut progresser plus vite que pour d’autres cultures ayant des cycles de vies plus longs, a-t-il dit. La seconde phase se penchera sur la meilleure méthode de production d’algues à grande échelle : bassin ouvert, bassin fermé ou photobioréacteur. La dernière phase verra le développement de plantes petites à moyennes, en vue de les étendre ensuite à un module commercial plus grand ; selon M. Dolan cela pourrait prendre cinq à dix ans.

En cas de succès, les « bio-huiles » tirées des algues photosynthétiques pourraient être utilisées pour produire une série de carburants, y compris de l’essence, du diesel et du kérosène, en respectant les spécifications des produits actuels, d’après ExxonMobil.

En décembre 2007, le géant pétrolier anglo-néerlandais Shell a bâti un centre de recherche à Hawaii pour étudier la viabilité commerciale de souches d’algues sélectionnées. L’installation ne cultivera que des espèces de microalgues marines non modifiées, dans des bassins ouverts en recourant à une technologie propriétaire. Shell dit que les algues peuvent doubler leur masse plusieurs fois par jour et produire au moins 15 fois plus d’huile par hectare que des alternatives telles que le colza, la palme de soja ou les jatropha. Certaines espèces d’algues poussent si vite qu’elles doublent de taille trois ou quatre fois par jour, a-t-il affirmé, mettant donc en avant leur potentiel pour une production commerciale de carburant à large échelle.

Les algues présentant un énorme potentiel de matière première énergétique pour la production de carburant de type diesel, avec une très faible empreinte énergétique en CO2, a affirmé Graeme Sweeney, le vice-président exécutif de Shell pour les carburants d’avenir et le CO2. Cette démonstration sera un test important de la technologie et un test décisif de sa viabilité commerciale.

UOP, une filiale de Honeywell, et Boeing ont fait équipe avec les principales compagnies aériennes pour créer l’Organisation de biomasse algaire (ABO), un groupe d’échange qui vise à tester et développer les carburants à base d’algues pour l’utilisation dans les avions. Air New Zealand, Continental, Virgin Atlantic et Boeing oeuvreront ensemble au travers du nouveau groupe pour soutenir à long terme et les investissements dans les algues en tant que source d’énergie.

En mai 2009, Bill Glover, directeur exécutif de la stratégie environnementale chez Boeing, a affirmé que le groupe avait conclu quatre vols tests avec succès en utilisant différentes genres de mélanges de biocarburants, y compris des algues, des plantes herbacées et des jatropha. Le conseil international des standards qui donne son approbation aux carburants et aux produits chimiques pourrait autoriser les biocarburants tirés des plantes dans moins d’un an, a affirmé M. Glover, ce qui signifie qu’ils pourraient être immédiatement utilisés comme produits de substitution.

De multiples secteurs s’intéressent de plus en plus au potentiel des algues comme sources d’énergie et nulle part ce n’est plus évident que dans l’aviation, a déclaré M. Glover, qui co-préside l’Organisation de biomasse algaire (ABO). Le transport par air est un contributeur vital à la prospérité économique mondiale, mais est menacé par des hausses record des prix du carburant. Ensemble, nous reconnaissons que les algues ont le potentiel d’aider à compenser ces coûts de carburant, tout en contribuant à une meilleure performance environnementale pour l’industrie de l’aviation.

Dans une déclaration, l’Organisation de biomasse algaire (ABO) a affirmé que les biocarburants à base d’algues peuvent délivrer chaque année 2 000 à 5 000 gallons de carburant par acre de terre non arable, et peuvent être une pièce centrale d’une stratégie générale de réduction de la dépendance au pétrole, sans entrer en concurrence avec des cultures alimentaires.

Raffaello Garofalodirecteur exécutif de l’Association européenne de la biomasse algaire (EABA), affirme les nombreux bénéfices potentiels de l’utilisation des algues dans la production de biocarburants, en particulier parce qu’elle ne doit pas faire concurrence aux terres utilisées pour les cultures alimentaires.

Il met néanmoins en garde contre un enthousiasme exagéré pour la technologie, rappelant qu’il reste de nombreux obstacles avant qu’elle puisse être développée à une échelle commerciale. Et il refuse de s’étendre en prédictions sur la date à laquelle la technologie pourrait devenir commercialement viable. Il serait irresponsable de vous donner des dates, a-t-il confié lors d’un entretien avec EURACTIV. Nous voulons éviter une « bulle Internet » où les gens spéculeront sur les quantités et prix des microalgues dans le futur, a-t-il expliqué.

Il y a un investissement considérable dans la recherche et cette recherche est animée par la conviction que des économies d’échelle et l’amélioration des rendements et des productions sont possibles. C’est une question de temps, a-t-il conclu.


  • Déc. 2008 : les dirigeants européens tombent d’accord sur une directive révisée sur les énergies renouvelables, convenant d’un objectif de 10 % de « carburants verts » avant 2020 (EURACTIV 5/12/08).

  • 5 déc. 2010 : date-limite pour tous les pays de l’UE pour se conformer à la nouvelle directive sur les énergies renouvelables. Les économies de gaz à effet de serre faites grâce aux biocarburants doivent atteindre minimum 35 %.

  • 2012 : les pays de l’UE doivent remettre leur premier rapport sur les mesures prises au niveau national pour assurer le respect des critères de durabilité des biocarburants.

  • Avant déc. 2014 : la Commission doit réviser les seuils d’économie d’émission de gaz à effet de serre, pour les biocarburants, en prenant en compte les technologies existantes.

  • 2017 : les économies de gaz à effet de serre des biocarburants doivent atteindre un minimum de 50 %.

  • 2018 : les économies de gaz à effet de serre des biocarburants doivent atteindre minimum 60 %.

  • 2018 : la Commission doit présenter une feuille de route pour les énergies renouvelables, pour la période après-2020.

  • 2020 : le secteur des transports est autorisé à tirer 10 % de ses besoins énergétiques des sources d’énergie renouvelable, parmi lesquelles les biocarburants durables.
     

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