Le potentiel des systèmes basés sur les algues pour la capture biologique de carbone

Le potentiel des systèmes basés sur les algues pour la capture biologique de carbone

Les changements climatiques, qui sont principalement dus à l'augmentation des concentrations de dioxyde de carbone (CO2) et d'autres gaz à effet de serre, exigent des stratégies d'atténuation rapides, évolutives et durables. Bien que les technologies industrielles de captage du carbone, comme le nettoyage des mines et la capture directe de l'air, aient beaucoup progressé, elles demeurent à forte intensité énergétique et coûteuses.

Les algues, y compris les microalgues et les macroalgues (algues), comptent parmi les organismes photosynthétiques les plus dynamiques de la Terre. Elles peuvent prospérer dans un large éventail d'environnements, des bassins d'eau douce aux cours d'eau usées, et ne pas concurrencer les cultures vivrières pour les terres arables. Lorsqu'elles sont cultivées dans des systèmes de génie, les algues peuvent capturer du CO2 à partir de sources ponctuelles – comme les centrales électriques, les fours à ciment ou les brasseries – ou directement de l'atmosphère.

Comment les algues captent le carbone : la biologie derrière le processus

La photosynthèse comme puits de carbone

Les algues, comme tous les organismes photosynthétiques, utilisent la chlorophylle et d'autres pigments pour récolter la lumière du soleil. Pendant la photosynthèse, elles prennent du CO2 et de l'eau, produisant de l'oxygène et des composés organiques (sugars) qui forment la base de la croissance cellulaire.

6 CO2 + 6 H2O + énergie lumineuse → C6H12O6 (glucose) + 6 O2

Bien que les plantes terrestres ne convertissent généralement que de 1 à 2 % de l'énergie solaire en biomasse, certaines souches de microalgues peuvent atteindre une efficacité photosynthétique de 5 à 10 % dans des conditions optimisées. Certaines études indiquent des valeurs encore plus élevées dans les photobioréacteurs denses et bien mélangés. Cette productivité élevée se traduit directement par une absorption plus rapide de CO2 par unité de surface comparativement aux forêts, aux prairies ou aux cultures agricoles.

Partitionnement du carbone et composition de la biomasse

Selon l'espèce et les conditions de culture, les microalgues peuvent accumuler jusqu'à 60 % de leur poids sec sous forme de lipides, une matière première essentielle pour le biodiesel et le combustible d'aviation durable. D'autres souches produisent des niveaux élevés d'amidon (p. ex., Chlorella vulgaris) ou de protéines (p. ex., Spirulina platnsis[). Cette flexibilité de composition permet d'adapter les souches à des applications spécifiques en aval, maximisant à la fois le captage du carbone et le rendement économique.

De plus, les algues sécrètent dans le milieu environnant une variété de composés organiques, y compris les exopolysaccharides et le carbone organique dissous. Bien qu'une partie de ce carbone puisse être rejetée dans l'atmosphère si elle n'est pas gérée, il sert aussi de substrat pour d'autres microorganismes, créant ainsi un potentiel de consortiums microbiens intégrés qui améliorent la rétention globale du carbone.

Avantages des systèmes de captage du carbone basés sur les algues

Productivité élevée et croissance rapide

Dans des conditions optimales, les microalgues peuvent doubler leur taux de croissance en biomasse toutes les 4 à 12 heures. Cela signifie qu'une culture robuste peut produire plusieurs tonnes de biomasse par hectare par jour, dépassant de loin les rendements en matière sèche de cultures même à croissance rapide comme la canne à sucre ou le graminée. Par exemple, des étangs de la voie de course ouverts conçus pour Heamatococcus pluvialis ou Nannochloropsis ont été signalés pour atteindre des rendements annuels de biomasse de 30 à 50 tonnes par hectare, tandis que les photobioréacteurs tubulaires peuvent atteindre 70 à 90 tonnes par hectare par an dans des conditions optimisées.

Ce renouvellement rapide signifie que les systèmes à base d'algues peuvent séquestrer le CO2 sur un cycle de temps de jours, et non d'années. Pour le CO2 de source ponctuelle (p. ex. gaz de combustion provenant d'une centrale à gaz naturel), le carbone peut être directement mis en culture, atteignant des taux de capture de 50 à 80 % selon la conception du système et les paramètres d'exploitation.

Scalabilité et déploiement flexible

Les systèmes de culture des algues se présentent dans un large éventail d'échelles et de configurations, allant des petits photobioréacteurs (PBR) utilisés dans les laboratoires de recherche aux réseaux d'étangs ouverts à plusieurs hectares. Les étangs de voies de course ouvertes sont les plus simples et les moins chers à construire, constitués de canaux peu profonds, mélangés à des roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues à roues

Comme les algues peuvent être cultivées dans l'eau de mer, l'eau saumâtre ou même les eaux usées, elles ne s'affaiblissent pas sur les ressources en eau douce, ce qui constitue un avantage critique dans les régions où l'eau est stressée.

Coproduits à valeur ajoutée multiple

Contrairement à de nombreuses technologies abiotiques de captage du carbone qui stockent simplement du CO2 sous terre, les systèmes à base d'algues génèrent un flux de biomasse qui peut être transformé en produits commercialisables, notamment :

• Biocarburants: Biodiesel à partir de lipides alcalins, bioéthanol à partir de glucides et biogaz à partir de biomasse entière par digestion anaérobie. La liquéfaction hydrothermale (HTL) peut transformer la biomasse humide en biocrude, précurseur du diesel renouvelable et des carburants d'aviation.
• Animal et aliment pour l'aquaculture: Les algues sont riches en protéines, acides gras essentiels (p. ex., DHA, EPA), vitamines et pigments. Schizochytrium et Crypthecodinium sont déjà produits commercialement pour les suppléments oméga-3 et les additifs pour l'alimentation animale.
• Fertilisants et amendements au sol: La biomasse des algues contient de l'azote, du phosphore, du potassium et des micronutriments. Lorsqu'elle est appliquée au sol, elle peut améliorer la rétention d'eau, la diversité microbienne et les rendements des cultures.
• Bioplastiques et biopolymères: Les polyhydroxyalcanoates (PHA) et d'autres plastiques biodégradables peuvent être synthétisés à partir de glucides ou de lipides alcalins.
• Nutraceutiques et cosmétiques: Les pigments comme l'astaxanthine, le β-carotène et la phycocyanine ont une valeur marchande élevée en tant qu'antioxydants et colorants.
• Matériaux de construction: La biomasse d'algues peut être incorporée dans le ciment, les briques ou les panneaux isolants, enfermant le carbone dans des structures durables.

En générant des revenus provenant d'un ou de plusieurs de ces coproduits, les systèmes de captage du carbone des algues peuvent compenser une fraction importante de leurs coûts opérationnels, ce qui les rend plus viables économiquement que le captage et le stockage autonomes.

Co-avantages pour l'environnement

Au-delà de la capture de carbone, la culture des algues offre plusieurs synergies environnementales . Lorsqu'elles sont cultivées dans les eaux usées, les algues absorbent de l'azote et du phosphore qui, autrement, contribueraient à l'eutrophisation, traitant efficacement les effluents tout en produisant de la biomasse. Elles peuvent également éliminer les métaux lourds et d'autres polluants par biosorption.

Principaux défis et limites actuelles

Coûts opérationnels et coûts d'immobilisation élevés

Malgré sa promesse, le captage du carbone à base d'algues demeure plus coûteux[ que les méthodes alternatives d'élimination du carbone dans de nombreux scénarios. Les coûts en capital des photobioréacteurs peuvent être élevés – de l'ordre de 100 à 500 $ par mètre carré pour les PBR avancés. Même les étangs ouverts, qui coûtent 10 à 50 $ par mètre carré, nécessitent une superficie et un travail importants.

Pour que les systèmes à base d'algues puissent concurrencer d'autres technologies de captage du carbone (p. ex., capture directe de l'air à environ 250 à 600 $ la tonne de CO2), il faut faire des percées dans la réduction des coûts.

Eau et durabilité des nutriments

Bien que les algues puissent être cultivées dans des eaux non potables, la culture à grande échelle nécessite encore des volumes d'eau importants, surtout dans les étangs ouverts, où l'évaporation peut être importante (jusqu'à 10 à 20 mm par jour dans des climats arides). L'utilisation de l'eau de mer ou de l'eau saumâtre aide, mais de nombreuses souches d'algues de grande valeur nécessitent de l'eau douce ou des salinités spécifiques.

Contraintes génétiques et biologiques

Les souches d'algues naturelles ont souvent des limites : elles peuvent être sensibles aux prédateurs (p. ex., rotifères, champignons ou algues concurrentes), produire de faibles niveaux de composés cibles ou avoir une utilisation de lumière inefficace à haute densité cellulaire.Le génie génétique offre des voies pour résoudre ces problèmes – par exemple, en surexprimant l'anhydrase carbonique pour améliorer l'absorption de CO2, en réduisant la photoinhibition ou en augmentant le rendement lipidique.

Utilisation des terres et pratiques de mise à l'échelle

Bien que les algues ne soient pas en concurrence directe avec les cultures vivrières, elles ont encore besoin de terres, souvent plates et ensoleillées. Pour capter une fraction importante des émissions mondiales de CO2 (p. ex., 1 Gt CO2 par année), la superficie de culture requise serait énorme. Même si l'on a des hypothèses optimistes de productivité (p. ex., 50 tonnes de biomasse/ha/an avec une teneur en carbone de 50 %), la capture de 1 Gt CO2 nécessiterait environ 60 millions d'hectares d'étangs d'algues, soit environ la moitié de la superficie du territoire du Texas.

Orientations futures: Technologies et innovations sur l'horizon

Photobioréacteurs avancés et intensification des processus

Les nouveaux modèles de bioréacteurs visent à accroître la productivité tout en réduisant la consommation d'énergie[.Par exemple, les réacteurs à cascade à film mince, les photobioréacteurs flottants placés sur la surface de l'océan et les systèmes hybrides qui combinent les diodes électroluminescentes (DEL) et le soleil pour étendre la photosynthèse dans la nuit. Les photobioréacteurs à base de membrane peuvent séparer la biomasse de l'eau en permanence, réduisant ainsi les coûts de récolte.

Génie génétique et biologie synthétique

La trousse croissante de biologie synthétique permet de modifier précisément les génomes des algues.

• Sécurisez les lipides ou les sucres directement dans le milieu de croissance, éliminant la récolte de cellules à forte intensité énergétique.
• Expresser l'anhydrase carbonique sur leur surface cellulaire pour améliorer la capture de CO2 à partir de sources diluées.
• Produire des protéines recombinantes de grande valeur (p. ex. vaccins, enzymes) qui subventionnent les coûts de capture du carbone.
• Il faut montrer une tolérance accrue à la lumière, à la température et à la salinité élevées, ce qui permet de cultiver dans des environnements plus extrêmes.

L'édition des gènes basée sur le CRISPR a accéléré les progrès dans les organismes modèles comme Chlamydomonas reinhardtii et les souches industrielles comme Nannochloropsis gaditana. Cependant, l'approbation réglementaire de l'utilisation extérieure des algues génétiquement modifiées sera nécessaire pour le déploiement à grande échelle.

Intégration avec les sources industrielles ponctuelles

L'une des applications les plus efficaces à court terme est de combiner la culture des algues avec les émissions concentrées de CO2 des centrales électriques, des cimenteries et des aciéries.Les projets pilotes, comme ceux de Systèmes d'algues[ et Innovations mondiales d'algues[, ont démontré que les gaz de combustion peuvent être directement parsemés dans des étangs d'algues sans toxicité excessive des oxydes de soufre ou d'azote.

Culture des algues océaniques

Les algues comme Sargassum[ et Macrocystis[ poussent à des taux comparables aux microalgues et peuvent être récoltés et coulés dans l'océan profond (séquestration océanique) ou convertis en biocarburants. L'avantage est qu'aucune terre d'eau douce, terre arable ou engrais azoté n'est nécessaire – en fait, l'agriculture à grande échelle d'algues marines pourrait aider à remédier à l'eutrophisation côtière. Toutefois, la durabilité de la séquestration du carbone de la biomasse ensanglantée est débattue; certaines études suggèrent qu'une partie du carbone peut être reminéralisée avant d'atteindre le stockage permanent.

Recyclage des eaux usées et des éléments nutritifs

Les algues peuvent éliminer l'azote et le phosphore tout en fixant simultanément le CO2. La biomasse récoltée peut être utilisée comme biofertilisant ou comme biogaz.Cette approche réduit l'empreinte carbone nette du traitement des eaux usées et crée un flux de revenus de la biomasse.Les premières installations commerciales, comme celles de AlgaeBiomes et HydroMentia, ont démontré leur faisabilité technique à l'échelle pilote, bien que la viabilité économique dans le cadre de cadres réglementaires réalistes demeure un obstacle.

Conclusion

Les systèmes basés sur les algues représentent un outil puissant et polyvalent dans le portefeuille mondial de stratégies d'élimination du dioxyde de carbone. Leur capacité à atteindre des rendements photosynthèses élevés, à produire des coproduits précieux et à s'adapter à divers environnements leur confère des avantages distincts par rapport aux technologies de capture abiotiques et aux approches de biomasse terrestre.

Pour que les algues puissent exploiter pleinement leur potentiel en tant que solution climatique, il est essentiel que les chercheurs, l'industrie et les décideurs fassent un effort concerté. L'investissement dans des installations pilotes et de démonstration, l'élaboration de normes de comptabilité du carbone et la création d'incitations commerciales pour les coproduits (p. ex. combustibles à faible teneur en carbone, aliments à base d'algues) peuvent accélérer le déploiement.

Pour plus de détails, voir le sixième rapport d'évaluation du GIEC sur les mesures d'atténuation [, NREL’s examen de la capture de carbone par les algues[ et une analyse technico-économique récente dans Technologie de la biosource[.