Exploration du potentiel des centrales à biocarburant basées sur les algues

À mesure que la demande mondiale d'énergie renouvelable s'intensifie, les centrales à biocarburant à base d'algues deviennent une solution convaincante qui combine le potentiel négatif carbone et une productivité élevée. Contrairement aux biocarburants traditionnels de première génération issus des cultures alimentaires, les algues offrent une matière première qui ne concurrence pas l'agriculture pour les terres arables ou l'eau douce.Ces microorganismes à croissance rapide peuvent produire des lipides, des glucides et des protéines en grandes quantités, qui peuvent être transformés en biodiesel, en bioéthanol, en biogaz et même en carburant de l'aviation.

Qu'est-ce que les biocarburants basés sur les algues?

Les biocarburants à base d'algues sont des combustibles liquides ou gazeux dérivés de la biomasse de microalgues ou de macroalgues (algues).Les microalgues, qui sont des organismes photosynthétiques à cellules uniques, sont particulièrement prometteuses en raison de leur teneur élevée en lipides, qui peut dépasser 50 % de leur poids sec dans des conditions optimales.

Types de biocarburants des algues

Comme les algues peuvent être cultivées dans des étangs ouverts, des photobioréacteurs fermés ou des systèmes hybrides, elles offrent une flexibilité que les systèmes à base de cultures ne peuvent pas égaler.

Avantages des centrales électriques des algues

Les centrales à algae offrent une série d'avantages qui répondent simultanément à plusieurs préoccupations environnementales et économiques pressantes. Les sous-sections suivantes détaillent les avantages les plus convaincants.

Durabilité et utilisation des terres

Les cultures traditionnelles de biocarburants, le maïs, le soja, le palmier, exigent de vastes étendues de terres agricoles fertiles, élevant les conflits entre les aliments et les combustibles et provoquant la déforestation. Les algues, en revanche, peuvent être cultivées sur des terres non arables, y compris les déserts, les zones côtières, voire les terres industrielles désaffectées. Elles poussent également dans l'eau salée, l'eau saumâtre ou les eaux usées, réduisant considérablement la demande en eau douce.

Rendement élevé par acre

Selon le Department of Energy des États-Unis, les microalgues peuvent produire entre 4 000 et 6 000 gallons d'huile par acre par année, comparativement à environ 50 gallons par acre pour le soja et 600 gallons par acre pour l'huile de palme.

Capture et utilisation du carbone

Les algues sont des organismes photosynthétiques qui absorbent le dioxyde de carbone (CO2) pendant la photosynthèse. Lorsqu'elles sont intégrées aux émetteurs industriels, comme les centrales électriques, les cimenteries ou les aciéries, la culture des algues peut agir comme un système de captage du carbone, convertissant le CO2 en biomasse.Cela crée une approche en boucle fermée : le CO2 libéré lorsque le biocarburant est brûlé est à peu près égal au CO2 capturé pendant la croissance, ce qui entraîne des émissions de carbone quasi-neutres ou même négatives de carbone.

La polyvalence des produits

Après extraction d'huile, le résidu riche en protéines peut être utilisé comme aliment pour animaux, engrais ou matière première pour les bioplastiques et les produits biochimiques. Ce modèle de bioraffinerie multiproduits améliore l'économie de la culture des algues en générant de multiples flux de revenus.

Synergy de traitement des eaux usées

Les algues qui cultivent l'eau riche en nutriments traitent l'eau (en éliminant les polluants) tout en produisant de la biomasse pour le combustible, un gagnant pour l'assainissement de l'environnement et la production d'énergie. Les projets pilotes du Laboratoire national des énergies renouvelables (LNER) ont montré des taux d'élimination des nutriments d'au moins 90 % dans les systèmes intégrés d'algues et d'eaux usées.

Défis et perspectives d'avenir

Malgré les avantages évidents, la commercialisation à grande échelle des centrales à biocarburant à base d'algues a été lente. L'industrie continue de supporter des coûts élevés en capital et en exploitation, des goulets d'étranglement techniques dans la culture et la récolte, et la nécessité de systèmes intégrés robustes.

Les obstacles économiques

Les estimations de l'Agence internationale de l'énergie (AIE) indiquent que les coûts de production actuels varient de 4 à 8 $ le gallon, comparativement à 2 à 3 $ le gallon pour le diesel lorsque les prix du pétrole sont bas. Les principaux facteurs de coûts comprennent :

Stratégies de réduction des coûts

Les chercheurs explorent plusieurs voies pour réduire les coûts. L'utilisation des eaux usées ou des gaz de combustion comme sources d'éléments nutritifs et de CO2 peut considérablement réduire les coûts d'entrée. Les progrès dans les technologies de filtration et de floculation des membranes rendent l'assèchement plus efficace.

Les défis techniques de la culture

Les étangs ouverts, bien que peu coûteux, sont vulnérables à la contamination par d'autres microbes, aux fluctuations de température et aux pertes d'évaporation. Les photobioréacteurs offrent un meilleur contrôle et des rendements plus élevés, mais ils entraînent des coûts en capital qui peuvent être prohibitifs pour les projets à grande échelle.

Amélioration de la souche grâce au génie génétique

Les scientifiques modifient les voies métaboliques pour augmenter l'accumulation de lipides, améliorer l'efficacité de la photosynthèse et conférer une résistance aux ravageurs et à la salinité. Par exemple, la société de biologie synthétique Synthétique Génomique (cofondée par Craig Venter) a développé des souches de Nannochloropsis qui produisent 40% de lipides de plus que des souches de type sauvage.

Considérations environnementales

Bien que les biocarburants d'algues offrent des avantages environnementaux évidents, ils ne sont pas sans effets négatifs potentiels. La culture à grande échelle pourrait nécessiter une utilisation importante de l'eau (même avec l'eau salée ou les eaux usées, les pertes d'évaporation dans les étangs ouverts sont importantes).

Si l'énergie des pompes, des centrifugeuses et des bioréacteurs provient de combustibles fossiles, la réduction nette du carbone est réduite. L'intégration des installations de production d'algues avec une électricité renouvelable (solaire, éolienne) ou la cogénération à partir de biogaz peut maximiser les avantages des gaz à effet de serre. Une analyse du cycle de vie publiée dans Sciences environnementales & Technologie (2018) a révélé que le biodiésel d'algues peut produire 60 à 80 % de moins d'émissions de carbone que le diesel fossile lorsque l'énergie renouvelable est utilisée dans toute la chaîne d'approvisionnement.

Innovations et orientations de la recherche

Plusieurs technologies émergentes promettent d'accélérer le déploiement de centrales à base d'algues :

Conclusion

Les centrales à biocarburant basées sur les algues ne sont pas un fantasme lointain, elles fonctionnent déjà à une échelle pilote et de démonstration dans des endroits allant de la Californie à Israël à l'Australie. La science fondamentale est solide : les algues capturent du CO2, produisent des huiles énergétiques et peuvent être cultivées sans surcharger les approvisionnements alimentaires ou l'eau douce. Les obstacles restants sont économiques et techniques. La recherche sur l'amélioration des souches, l'efficacité de la récolte et la conception de systèmes intégrés continuant de réduire les coûts, les algues pourraient devenir une alternative concurrentielle aux combustibles fossiles au cours des 10 à 20 prochaines années.