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L'avenir des biocarburants

Document Steve Jurvetson.

L'exploitation de la biomasse

Face aux défis du développement durable et notamment en matière de consommation d'énergie et confronté au principe "pollueur-payeur" du Protocole de Kyoto, des industriels sont déjà passés à une énergie alternative, celle des biocarburants. Il s'agit d'une technologie exploitant la transformation de la biomasse en éthanol qui vient compléter voir remplacer le carburant issu des énergies fossiles.

L'avantage d'utiliser des biocarburants est double : d'une part on utilise des plantes ou des déchets organiques qui capturent le gaz carbonique, réduisant sa concentration dans l'atmosphère, et d'autre part les biocarburants peuvent être utilisés dans des moteurs à explosions classiques moyennant peu voire aucun réglage.

Il existe plusieurs types de biocarburants :

- Les biocarburants de première génération, basés sur la transformation de l'amidon

- Les biocarburants de deuxième génération, basés sur les déchets cellulosiques

- Les biocarburants de troisième génération, basés sur les micro-algues.

Les biocarburants de première génération

Les biocarburants historiques exploitent l'amidon contenu dans certaines plantes (betteraves, colza, soja, tournesols, cannes à sucre, maïs, pommes de terre, déchets de biomasse, etc). Cet amidon contient des sucres (polysaccharides constitués de polymères d'oses) qui présentent un pouvoir énergétique important. Grâce à un processus de fermentation et l'aide de microbes, ces sucres sont transformés en éthanol qu'on peut mélanger aux carburants (essence, diesel, kérozène).

Toutefois ce type de technologie présente des inconvénients. Pour être développée à l'échelle d'une région ou d'un pays, cette technologie requiert la culture d'une quantité très importante de plantes souvent difficile à mettre en place sans pénaliser les autres agricultures et donc les chaînes alimentaireshumaines et animales.

Ainsi, pour remplacer 10 % des carburants fossiles par du biocarburant, à l'échelle du globe il faudrait consacrer 9 % des terres agricoles à cette culture. Cette proportion atteint 70 % des terres agricoles dans l'Union européenne, 30 % des terres aux Etats-Unis et seulement 3 % des terres au Brésil. La proportion est équivalente pour les plantes huileuses, fibreuses ou les déchets des épis (voir plus bas).

Cette énergie est donc intéressante dans les pays où la population est importante et disposant de grandes étendues agricoles comme le Brésil, l'Inde ou la Chine.

Champ de tournesols à La Freissinouse, commune de Manteyer, au pied du massif  de Céüze dans les Hautes-Alpes. Dans ce cas-ci, l'huile est destinée à l'alimentation. Document J.-M.Gaude.

En théorie, remplacer 1 litre d'essence par 1 litre de biocarburant (éthanol) permettrait de réduire l'émsision des gaz à effet de serre jusqu'à 80 %.

Si les écologistes insistent sur cet avantage, beaucoup oublient de préciser que le bénéficie qu'ils évoquent ne représente pas le bilan total du traitement des biocarburants.

En effet, en 2007, une étude de l'OCDE a démontré que le bilan énergétique n'était pas aussi positif et le procédé finalement peu écologique, et d'autant moins que cette technologie est généralement subventionnée.

Si on n'analyse que le processus de transformation des biocarburants, le bilan est effectivement positif. Mais si on incorpore toutes les étapes et intervenants, intrants et extrants (les produits nécessaires au fonctionnement de l'exploitation agricole) utilisés dans le processus, du semange des plantes au transport de l'éthanol jusqu'à la pompe, les biocarburants consomment beaucoup d'énergie, voire même plus que la transformation du pétrole dans certains cas (étude américaine basée sur la transformaiton du maïs). 

L'OCDE conclut que la réduction des émissions des gaz à effet de serre grâce aux biocarburants de première génération ne serait que de 3 %. Elle suggéra aux gouvernements de revoir leurs subventions et d'investir dans la recherche de biocarburants de deuxième génération, c'est-dire non plus basés sur les sucres de l'amidon mais sur ceux des glucoses dérivés du bois tels que la cellulose, l'hémicellulose ou la lignine (lignocellulose). L'OMC appuya cette demande.

L'étude de l'OCDE fut immédiatement relayée par le Financial Times puis par tous les médias ainsi que des ONG en faveur de la politique européenne commune tel EU Energy Policy.

Du coup, l'utilisation des biocarburants de première génération a été remise en question, y compris en France comme l'explique ce reportage diffusé peu après. C'est alors que les scientifiques se sont tournés vers les biocarburants de deuxième génération, plus écologiques.

En 2010, conséquence de la Politique agricole commune, l'Europe supprima l'aide aux cultures énergétiques de 45 € par hectare, répondant ainsi aux attentes de l'OMC et de l'OCDE.

En 2011, dans son rapport consacré aux Perspectives agricoles 2011-2020, l'OCDE et la FAO envisageaient à la fin de la période analysée une croissance de la production des biocarburants de deuxième génération. Mais à l'époque de sa rédaction, ce rapport ne faisait encore aucune allusion aux biocarburants de troisième génération (les micro-algues), toujours à l'état de recherche, pour ainsi dire à l'état cellulaire.

La même année, l'Union européenne pris la décision de normaliser le marché et de certifier "soutenable" les biocarburants de deuxième génération répondant à plusieurs critères.

Si les intentions des institutions internationales sont louables, il ne faut pas oublier que les déchets des végétaux font partie du cycle du vivant. En retirant la paille et les déchets divers des champs et des cultures pour les transformer en biocarburants, d'un point de vue écologique on prive aussi les sols d'une source de fumier, de fertilisants organiques et de minéraux utiles à sa régénération et au développement des plantes. Il faut donc les restituer aux sols d'une manière ou d'une autre.

Balles de paille de blé (et non pas de foin) à Overberg, en Afrique du Sud. La paille présente de multiples usages (litière, fourrage, matériau de construction, papier et objets cartonnés, isolant, vanerie, etc) et peut notamment servir de biocarburant de deuxième génération. Document Chris Daly.

Les biocarburants de deuxième génération

Parmi les biocarburants de deuxième génération citons les produits dérivés du maïs (les déchets des épis tels que la tige et les glumes), de la paille de blé, de la canne à sucre, du peuplier, le panic érigé (une herbacée de la famille des Poaceae) et les déchets ligneux (les déchets du bois issus de l'agriculture, de la sylviculture et des industries du bois, également à la base du compostage).

Ces produits sont donc abondants et ne compromettent pas les chaînes alimentaires humaine et animale. En revanche, par nature la lignocellulose est ce qui rend le bois résistant et imperméable et est donc difficile à détruire et à décomposer en sucres.

Aussi, le projet DISCO financé par l’Union Européenne a permis de développer des enzymes plus efficaces et rentables capables de décomposer les hydrates de carbone de la lignocellulose afin de faciliter la production de bioéthanol.

Actuellement la filière la plus utilisée est celle de l'éthanol cellulosique ou ceetol. Il existe également des produits alternatifs comme le biométhane et le gaz naturel de synthèse.

Toutefois, on retrouve ici aussi la même problématique qu'avec les biocarburants de première génération : en Europe, il faut consacrer environ 70 % des terres agricoles ou de sylviculture à cet usage pour produire 10 % de nos besoins en carburant.

Le problème s'accentue à l'échelle mondiale. Nous produisons plus de 81 millions de barils (1 baril ~159 litres) de pétrole par jour, ce qui représente une consommation d'environ 30 milliards de barils ou 4700 milliards de litres de pétrole par an. La consommotion mondiale d'essence est d'environ 1300 milliards de litres par an (dont plus de 40 % sont consommés par les Etats-Unis) et de 1100 millards de litres par an pour le diesel (dont 20 % sont consommés par les Etats-Unis).

Par comparaison, la production mondiale de bioéthanol est de 37 milliards de litres par an auxquels s'ajoutent 3.5 milliards de litres de biodiesel par an. Les biocarburants de première et deuxième générations ne satisfont donc que 1.6 % de nos besoins.

A moins que le Brésil et les Etats-Unis n'envisagent à terme d'exporter leur production, en Europe comme en Asie cette technologie ne pourra jamais remplacer les énergies fossiles et son marché reste donc limité à un usage national ou régional.

Les biocarburants de troisième génération

Les micro-algues sont des organismes uni ou pluricellulaires avec ou sans noyau (eukaryotes ou procaryotes) vivant en colonies dans les océans et en eaux douces. Leur cycle de vie ainsi que leur mode de reproduction (scissiparité, mitose, etc) varie d'une espèce à l'autre.

Les plus connues sont les cyanobactéries (procaryotes) et les diatomées (eukaryotes). On les rencontre également dans les aquariums mal entretenus sous forme de matière gluante verte (slime).

Selon le botaniste expert en flore marine Michael D. Guiry de l'institut Seaweed d'Irlande, il existerait entre 30000 et plus d'un million d'espèces de micro-algues. Ces organismes pullulent dans les océans au point qu'une fois morts, leur squelette calcaire a donné naissance à toutes les formations en calcaire que nous connaissons, y compris la craie.

Les micro-algues peuvent facilement être mises en culture. La plupart renferment beaucoup de nutriments et présentent un potentiel énergétique très élevé.

Une étude anglaise publiée en 2009 a démontré que théoriquement les micro-algues présentent un rendement 10 à 100 fois plus efficace que les biocarburants de deuxième génération et, selon le centre de recherche HelioBiotec du CEA, il serait 10 à 20 fois supérieur à celui des oléagineux terrestres tels que l'huile de colza ou de tournesol.

En 2010, ces travaux furent encouragés par la FAO qui publia un rapport de 131 pages sur le statut de la production de biocarburant à partir des algues.

Aussi, un peu partout dans le monde, des institutions et des industriels (l'Ifremer en France, la ferme Cyanotech à Hawaii et de nombreux industriels américains) étudient la filière de valorisation des micro-algues et leur utilisation pour produire des nutriments, de l'énergie, des produits utiles à la chimie et à la cosmétique.

A lire : Current status and potential for algal biofuels production, FAO (PDF)

A gauche, projet de biocarburant à base de micro-algues financé par le DARPA (DoD) et développé par le groupe de travail sur l'Energie et l'Agriculture en Environnement Contrôlé de l'Université Polytechnique de l'Etat de Californie (CalPoly). A droite, la ferme de 36 ha (90 acres) de Cyanotech à Keahole Point à Hawaii est l'une des plus grandes fermes de culture d'algues des Etats-Unis.

Les fermes de culture de micro-algues

Actuellement, le plus pays le plus avancé dans ce domaine sont les Etats-Unis avec une production d'environ 9000 tonnes d'algues distribuées entre trois entreprises : Earthries Nutritionals, LLC, en Californie, Cyanotech Copr., à Hawaii et Martek Co., dans le Maryland mais qui produit de la biomasse pour la fermentation. Une quatrième entreprise, Cognis Australia Pty Ltd produit du B-Carotène pour les micro-algues D. salina et dispose de deux bassins, l'un de 440 ha à Whyalla et l'autre de 520 ha à Hutt Lagoon qui comptent parmi les plus gands systèmes de production d'algues au monde.

En terme de productivité, dans les zones très ensoleillées, en théorie le taux de production d'algues atteint 100 g/m2/jour. Dans les bassins ouverts cette production tombe entre 15 et 30 g/m2/jour. Elle est même inférieure quand le bassin doit faire l'objet de maintenance (apport d'eau, traitement, etc).

La production peut être plus importante dans un photobioréacteur fermé que dans un bassin ouvert du fait que le rapport surface/volume est plus élevé.

Rentabilité

La culture des micro-algues est complexe si elle s'effectue dans des photobioréacteurs (enceinte fermée exposés à la lumière). Mais même en bassins ouverts, le processus est délicat et nécessite des contrôles rigoureux car ces organismes sont fragiles.

Ce qui intéresse le secteur de l'énergie et spécialement de l'automobile est la faculté des micro-algues de produire de l'huile jusqu'à 60 % de leur poids sec, dont 90 % sont exploitables dans les biocarburants.

En 2007, une étude a établit une formule dérivant le prix de rentabilité de cette technologie comparée au pétrole :

Ca = 25.9 × 10-3 Cp

avec, Ca le prix de l'huile d'algues en dollars par gallon and Cp le prix du baril de pétrole brut, sachant qu'un baril contient 42 gallons US ou 158.98 litres. Cette formule assume que l'huile d'algue présente 80 % de l'énergie calorique du pétrole brut.

La rentabilité d'une ferme de culture de micro-algues dépend des espèces, des rendements et de l'objectif que l'on poursuit. Actuellement, le prix des micro-algues revient à environ 10 € le kilo, prix d'usine et hors taxe. Cela en fait encore un carburant de luxe au moins dix fois plus cher que le carburant ordinaire. Ce n'est donc pas encore rentable comparé au pétrole.

Les micro-algues, le biocarburant de troisième génération, sera peut-être demain une alternative au moteur électrique.

Si on veut produire de l'huile destinée aux biocarburants, au mieux il faut produire des millions de tonnes de micro-algues afin que leur prix chute à environ 0.5 € par litre et deviennent aussi compétitifs que les carburants fossiles.

A condition que le coût de production de biocarburant à base d'algues diminue et considérant que le gaz carbonique est gratuit, les analystes américains estiment que d'ici 2020 nous pourrions remplacer jusqu'à 20 % du carburant classique par du biocarburant à base d'algues. A plus long terme, cela dépendra du coût de production des différentes technologies et notamment des voitures électriques.

On ne sera donc pas étonné d'apprendre que de nombreux laboratoires français par exemple travaillent depuis 2012 dans le cadre du projet Green Stars afin de développer d'ici 2020 ces biocarburants de troisième génération. Dans d'autres pays, les universités ont signé des partenariats avec le secteur privé.

Si cette technologie ne peut pas être rentable à court terme, le DARPA, l'agence de recherche et de développement de l'armée américaine qui finance les projets les plus innovants, a prétendu en 2010 être capable de produire du fuel à base d'algues pour ses jets au prix de 2$ par gallon soit 0.3850 € par litre, prix de gros ! Cette annonce a surpris les analystes, plus habitués aux chiffres fournis par l'industrie civile. Mais le DARPA n'a pas précisé s'il s'agissait de micro-algues naturelles ou trangéniques. S'il s'agit du premier type, deux valeurs peuvent servir de comparaison.

En 2011, Exxon Mobil déclarait qu'il pouvait produire chaque année 16715 litres d’huile d'algues par hectare (environ 2000 gallons/acre/an) soit 1671 m3/km2/an, ce qui est 5 fois plus qu'à partir de l'huile de palme, 4.4 fois plus que la canne à sucre, 8 fois plus que le maïs et près de 40 fois plus que le soja.

La société américaine Algenol produirait 5 fois plus de biocarburant qu'Exxon Mobil avec 8400 m3/km2/an d'éthanol. Elle espérait débuter sa commercialisation en 2014 mais repoussa la date. Restera ensuite à trouver une stratégie commerciale pour proposer ce biocarburant à un prix raisonnable. Aujourd'hui, en Europe les deux-tiers du prix du carburant à la pompe soit environ 1€ représente les frais de distribution et les accises.

En revanche, nous savons aujourd'hui que les micro-algues transgéniques offrent un rendement supérieur aux micro-algues naturelles. Elles pourront donc être l'une des solutions de l'avenir.

Prévisions pour 2025

Ces quantités de biocarburant à base de micro-algues sont encore dérisoires comparées aux besoins quotidiens d'une ville et d'un pays.

Prenons un exemple concret. En Europe, selon les statistiques de BP, un habitant (y compris les entreprises) consomme selon les pays entre 1400 litres (Italie) et 3500 litres (Belgique) de carburant par an soit entre 4 et 10 litres de carburant par jour. Pour un grand consommateur comme la Belgique, cela représente 5 tonnes de pétrole par habitant par an soit environ 6.25 m3 de pétrole par an (l'équivalent de 58150 kWh d'énergie !). Pour un pays de 11 millions d'habitants cela représente 55 millions de tonnes de pétrole soit environ 68.7 millions de m3 de carburant à délivrer chaque année.

Actuellement la capacité de production d'Algenol permet juste de satisfaire la consommation à 100 % en biocarburant d'un seul village d'environ 1350 habitants pendant un an. Avec une production cinq fois inférieure, Exxon Mobil pourrait  à peine satisfaire 10 % des besoins en biocarburant d'une ville de 2600 habitants pendant un an. Un pays comme la Belgique compte 133 villes et il y en a plus de 2000 en Allemagne.

Pour que les micro-algues remplacent tous les carburants, la capacité de production d'Algenol par exemple devrait être multipliée par 10000. Cela représente une superficie équivalente au tiers de la Belgique ou à la création de 10000 fermes de la même taille !

On peut aussi patienter quelques années en espérant une diminution des coûts de production dans un même rapport. A moins de découvrir une technologie révolutionnaire que nous cache peut-être le DARPA, mis à part les micro-algues transgéniques mais aux capacités limitées, aucun indice ne va dans ce sens et dans tous les cas ce genre de mutation technologique ne se fait pas du jour au lendemain.

Pour être réaliste, on peut juste imaginer doubler la taille de cette ferme et la reproduire disons 20 fois sur tout le territoire. On obtient une capacité de production de 236000 m3/km2/an d'éthanol. Cela ne comblerait que 0.34 % des besoins de la Belgique ou 3.4 % si le biocarburant complète le carburant ordinaire dans une proportion de 10 %.

Il est donc prématuré d'utiliser les biocarburants de troisième génération pour alimenter les véhicules ou les usines. Cela signifie que les biocarburants ne se susbisteront probablement jamais aux carburants fossiles mais viendront les compléter à raison de 5 à 20 % maximum selon les pays.

Pour appuyer cette idée, en 2013, Rex Tillerson, CEO d'Exxon Mobil, qui a déjà investi 600 millions de dollars dans un projet de moteur à base d'algues et constaté toute la difficulté de cette entreprise, a déclaré que le "carburant d'algues devra attendre plus de 25 ans pour que sa commercialisation soit viable". Qui du DARPA ou d'Exxon Mobil dit vrai ? Peut-être aucun des deux, mais le projet innovant en cours de développement en laboratoire ou dans une ferme de culture. L'avenir nous le dira.

Parmi les alternatives au biocarburant, on peut produire du carburant à partir de la culture de bactéries transgéniques capables de produire du diesel par exemple comme le propose la société californienne LS9 (Reg Life Sciences) dont voici un reportage vidéo.

Mais ici également, la production d'un tel carburant d'origine transgénique à grande échelle requiert des usines aussi vastes que des complexes pétroliers. Or la plupart des pays occidentaux ne disposent pas de tels espaces à moins de sacrifier des terres agricoles ou des forêts. Aussi, la production de diesel à partir de bactéries transgéniques risque fort de rester marginale et ne satisfera jamais la consommation de tout un pays.

Ceci dit, aujourd'hui, on peut produire du carburant écologique et c'est même devenu une obligation si le fermier ou l'industriel veut être certifié et donc devenir un acteur du marché. Dans ces conditions le bilan des biocarburants comme celui basé sur la culture de bactéries transgéniques est écologique pour la planète. Mais bien que la technologie soit innovante, la société veut-elle encore de ce type de produit connaissant l'éventail des alternatives disponibles sur le marché ?

Rappelons que dans le cadre des énergies non polluantes et durables, il existe une autre alternative très prometteuse : l'électricité générée par le photovoltaïque et la pile à combustible. Bonne nouvelle, ces technologies ont trouvé un écho favorable auprès des industriels. On y reviendra dans l'article consacré aux technologies du futur.

Quelle que soit la solution envisagée, si l'avenir énergétique n'est pas encore tout à fait rose, à l'horizon 2030 il sera au moins vert !

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