Les systèmes de production de biocarburants basés sur les algues sont apparus comme une alternative incontournable aux combustibles fossiles, offrant une source d'énergie renouvelable avec une empreinte carbone nettement plus faible. Les algues, un groupe diversifié d'organismes aquatiques microscopiques, sont capables de produire des quantités importantes de lipides qui peuvent être convertis en biodiesel, ainsi que des glucides et des protéines adaptés à la production de bioéthanol et de biogaz.

Contrairement aux biocarburants de première génération issus de cultures alimentaires comme le maïs, la canne à sucre ou le soja, les algues ne sont pas en concurrence directe avec les terres agricoles pour la production alimentaire. Elles peuvent être cultivées dans un large éventail d'environnements, notamment l'eau douce, l'eau salée, l'eau saumâtre et même les eaux usées. Cette souplesse, combinée à des taux de croissance extrêmement élevés et à des rendements pétroliers élevés, place les algues comme une matière première de prochaine génération qui pourrait aider à décarboner le transport, l'aviation et le chauffage industriel.

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

Les biocarburants à base d'algues sont des combustibles produits à partir de la biomasse des algues, qui sont des organismes photosynthétiques allant des microalgues monocellulaires aux macroalgues plus grandes (algues marines).La valeur principale des algues pour la production de biocarburants réside dans leur composition cellulaire : de nombreuses espèces de microalgues peuvent accumuler des concentrations élevées de lipides (huiles) dans certaines conditions de croissance, atteignant parfois 40 à 70 % de leur poids sec. Ces lipides peuvent être extraits et convertis en biodiesel par transestérification, un procédé semblable à celui utilisé pour les huiles végétales.

Les algues sont des biocombustibles qui diffèrent de plusieurs façons fondamentales. Premièrement, les algues poussent beaucoup plus rapidement que les cultures terrestres, avec des temps de doublement aussi courts que quelques heures dans des conditions optimales. Deuxièmement, la culture des algues ne nécessite pas de terres arables; elle peut se faire dans des étangs ouverts, des photobioréacteurs fermés (PBR), ou même sur des terrains désertiques non arables utilisant de l'eau salée.

Il est important de distinguer entre les microalgues et les macroalgues à des fins de combustible. Les microalgues sont unicellulaires et sont au centre de la grande majorité de la recherche et du développement commercial en raison de leur forte teneur en lipides et de leur croissance rapide. Les macroalgues, ou algues, sont multicellulaires et ont généralement une teneur en lipides inférieure, mais peuvent être cultivées dans des milieux marins et transformées pour le biogaz ou l'éthanol.

Avantages de l'utilisation des algues pour la production de biocarburants

Les avantages des algues par rapport aux matières premières traditionnelles des biocarburants sont nombreux et substantiels. Ci-dessous sont les principales catégories d'avantages qui font des algues une ressource transformatrice pour le secteur des énergies renouvelables.

Rendement élevé et productivité

Dans des conditions idéales, certaines souches de microalgues peuvent produire entre 15 et 30 fois plus d'huile par hectare que les cultures oléagineuses classiques comme le colza, le palmier ou le tournesol. Certaines estimations suggèrent que les algues pourraient produire entre 40 000 et 100 000 litres de biodiesel par hectare par année, comparativement à environ 5 000 litres d'huile de palme et à 1 500 litres d'huile de soja. Cette différence spectaculaire signifie que les algues pourraient théoriquement répondre à une fraction importante de la demande mondiale de carburant en utilisant seulement une fraction des terres requises par les biocarburants traditionnels.

Durabilité et utilisation rationnelle des ressources

La culture des algues exige un apport minimal en eau douce par rapport aux cultures terrestres.De nombreuses souches productives prospèrent dans l'eau de mer, l'eau saumâtre ou même les eaux usées industrielles à haute salinité, ce qui signifie que les ressources en eau douce sont conservées. De plus, les algues peuvent être cultivées dans des systèmes fermés qui recyclent l'eau et les nutriments, réduisant ainsi l'impact environnemental global.

Avantages environnementaux au-delà de la production de carburant

La culture des algues peut être intégrée aux procédés de traitement des eaux usées pour éliminer les polluants tels que l'azote, le phosphore et les métaux lourds. À mesure que les algues poussent dans les eaux usées riches en nutriments, elles absorbent ces contaminants, nettoient l'eau tout en produisant de la biomasse qui peut être récoltée pour le combustible. Cette approche aborde simultanément deux défis environnementaux : réduire l'énergie et l'apport chimique requis pour le traitement des eaux usées et produire une précieuse matière première pour les biocarburants.

Sécurité énergétique et indépendance

En diversifiant la gamme des matières premières pouvant servir à produire des carburants liquides, les algues biocombustibles contribuent à la sécurité énergétique, ce qui réduit la dépendance à l'égard des importations de pétrole et la maîtrise de la volatilité des prix sur les marchés pétroliers mondiaux. De plus, les algues peuvent être produites au pays dans presque tous les pays, avec accès à la lumière du soleil et à l'eau, offrant des possibilités économiques locales et réduisant les risques géopolitiques associés à la dépendance aux combustibles fossiles.

Défis et limites

Malgré ces avantages, le transfert des biocarburants d'algues du laboratoire à la production commerciale s'est révélé difficile. Voici les principaux obstacles à surmonter pour que les carburants à base d'algues deviennent concurrentiels par rapport au pétrole.

Coûts de production élevés

Les estimations actuelles laissent croire que les coûts de production du biodiesel des algues demeurent nettement plus élevés que ceux du diesel classique, souvent par un facteur de deux à trois. La ventilation des coûts est dominée par deux facteurs : la dépense en capital des infrastructures de culture (en particulier les photobioréacteurs fermés) et l'apport énergétique nécessaire pour la récolte et la déshydratation des suspensions des algues diluées. Les cultures typiques des algues ne contiennent que 0,02 à 0,05 % de solides en poids, ce qui signifie que de grands volumes d'eau doivent être transformés pour récupérer la biomasse.

Efficace récolte et extraction

La récolte d'algues demeure l'une des barrières techniques les plus difficiles à surmonter. La petite taille des cellules de microalgues (généralement de 2 à 20 micromètres) les rend difficiles à séparer du milieu de croissance. Des méthodes écoénergétiques comme la flottation d'air dissous, l'électrocoagulation et la biofloculation sont en cours de développement, mais n'ont pas encore atteint l'évolutivité et la fiabilité requises pour les opérations à grande échelle.

Mise en place de systèmes de culture

Les étangs ouverts sont moins chers à construire et à exploiter, mais ils sont vulnérables à la contamination par des organismes à croissance rapide, des prédateurs et des fluctuations environnementales (température, lumière, pH). Il est difficile de maintenir des monocultures stables sur de longues périodes. Les étangs ouverts offrent un meilleur contrôle des conditions et une productivité accrue par unité de volume, mais ils sont à forte intensité de capital et exigent une énergie suffisante pour le mélange et le refroidissement.

Eau et approvisionnement en nutriments

Bien que les algues puissent croître dans l'eau salée ou les eaux usées, la production à grande échelle nécessite encore des volumes d'eau importants.Dans les régions arides ou semi-arides, la disponibilité de l'eau peut être un facteur limitant. De plus, les algues ont besoin de macronutriments comme l'azote et le phosphore pour croître.

Recherche et développement

Un important travail de recherche vise à surmonter les obstacles économiques et techniques décrits ci-dessus. Les principales orientations de la R-D comprennent le génie génétique, la conception avancée des bioréacteurs et l'intégration des processus.

Génie génétique des souches d'algues

Les outils de biotechnologie modernes, y compris CRISPR-Cas9, permettent aux scientifiques de modifier les souches d'algues pour améliorer les caractères désirables.Les améliorations ciblées comprennent une teneur en lipides plus élevée (augmentation des rendements en huile par unité de biomasse), des taux de croissance plus rapides, une plus grande tolérance aux températures extrêmes et une forte intensité de lumière, une résistance aux parasites et aux prédateurs et une capacité accrue de sécréter les huiles directement dans le milieu de croissance (ce qui réduirait les coûts de récolte).Par exemple, des chercheurs de l'Université de Californie, de San Diego et du National Renewable Energy Laboratory (NREL) ont développé des souches de Nannochloropsis qui accumulent jusqu'à 50 % de lipides de plus que des souches de type sauvage.

Conceptions innovantes de bioréacteur

Les ingénieurs conçoivent des systèmes de culture de nouvelle génération pour optimiser la distribution de lumière, le transfert de masse de CO2 et le mélange tout en réduisant la consommation d'énergie. Les PBR à panneaux plats, les réacteurs tubulaires à hélicoïdal et les cascades à couches minces font partie des configurations testées. Certaines conceptions intègrent des guides de lumière internes ou des fibres optiques pour distribuer la lumière de façon plus uniforme, réduisant la profondeur et l'énergie nécessaires au mélange. D'autres utilisent des films plastiques à faible coût et une aération passive pour réduire les dépenses en capital.

Stratégies intégrées de bioraffinerie et de coproduction

Pour améliorer l'économie, les chercheurs élaborent des concepts intégrés de bioraffinerie dans lesquels la production de biocarburants est combinée à la récupération de coproduits de grande valeur, notamment des acides gras oméga-3 (p. ex., DHA et EPA utilisés dans les suppléments nutritionnels), des caroténoïdes comme l'astaxanthine et le bêta-carotène, des ingrédients pour l'alimentation animale, des biopolymères et des engrais agricoles. Par exemple, la société Checkerspot produit des huiles sur mesure à partir d'algues pour les matériaux de performance, tandis que Qualitas Health[ commercialise un supplément à base d'algues appelé Almega PL. En vendant ces coproduits à prix avantageux, le coût global de la production de carburant peut être réduit.

Capture et utilisation du carbone

Plusieurs programmes de recherche mettent à l'essai l'injection directe de gaz de combustion dans des étangs d'algues ou des PBR, en tirant parti de la capacité photosynthétique des algues pour convertir les déchets de CO2 en biomasse. Cette approche de captage et d'utilisation du carbone (CCU) permet non seulement de réduire les émissions de gaz à effet de serre, mais produit également une importante matière première. Le Center for Carbon Removal et le European Project ALG-AD ont démontré des installations pilotes qui intègrent la production d'algues à des sources industrielles de CO2 et à une digestion anaérobie, ce qui a permis d'obtenir des émissions nettes négatives de carbone dans certains cas.

Commercialisation et perspectives d'avenir

Bien que la production de biocarburants à grande échelle n'ait pas encore été réalisée à grande échelle, plusieurs entreprises et collaborations de recherche se dirigent activement vers le déploiement. Les sections suivantes mettent en lumière les activités commerciales actuelles et les perspectives pour la prochaine décennie.

Entreprises et projets commerciaux

Solazyme (maintenant TerraVia), qui a développé une fermentation hétérotrophe des algues pour produire des huiles pour la nourriture et le carburant; et Algae.Tec[, qui a construit un système modulaire de photobioréacteur en Australie. Plus récemment, des entreprises comme Viridos[ (anciennement Synthétique Génomique) ont établi un partenariat avec ExxonMobil[ pour développer des souches d'algues avec une productivité améliorée, visant à produire du diesel renouvelable et du carburant d'aviation.

Soutien aux politiques et moteurs économiques

Aux États-Unis, la norme sur les carburants renouvelables (RFS) prévoit le mélange de biocarburants avancés dans l'offre de carburant de transport, créant un marché pour les carburants à base de cellulosiques et d'algues. Le Biden Administration (Biden Administration) s'attache à un grand défi en matière de carburants d'aviation durables, qui vise à atteindre 3 milliards de gallons de CAF nationaux d'ici 2030, ce qui pourrait stimuler la demande de matières premières provenant d'algues.

Améliorations technologiques et trajectoires de coûts

Selon l'Agence internationale de l'énergie (AIE), le coût standardisé du biodiesel des algues pourrait atteindre la parité avec le diesel pétrolier au cours des 10 à 15 prochaines années si les tendances actuelles de réduction des coûts se poursuivent. L'augmentation des récoltes à faible consommation d'énergie (comme la biofloculation à l'aide de champignons) et les améliorations génétiques qui permettent aux algues de sécréter des huiles pourraient accélérer cette échéance. La mise au point de systèmes de photobioréacteur automatisés en continu, avec surveillance et contrôle en temps réel, améliorera également la productivité et réduira les coûts de main-d'oeuvre.

Conclusion

Leur productivité remarquable, leur utilisation efficace des ressources et leurs avantages environnementaux, notamment le captage du carbone, le traitement des eaux usées et la production de coproduits à haute valeur ajoutée, en font une alternative intéressante aux combustibles fossiles et aux biocarburants de première génération. Toutefois, des défis importants subsistent, notamment en ce qui concerne la réduction des coûts, la récolte évolutive et la culture stable à l'échelle commerciale.

Si le déploiement commercial a été plus lent que prévu par les premiers optimistes, le rythme de l'innovation s'accélère. L'émergence d'outils avancés comme le CRISPR, conjuguée à l'urgence croissante de décarboniser des secteurs tels que l'aviation et le transport maritime, entraîne un nouvel investissement et une collaboration. Que ce soit par des bassins ouverts dans les déserts, des photobioréacteurs en milieu urbain ou des systèmes intégrés d'eaux usées, les biocarburants à base d'algues sont prêts à jouer un rôle significatif dans le futur mix énergétique.