Les biocarburants et la science

I) La première génération de biocarburants

a) Introduction : pourquoi les biocarburants ?

Cadre général : développement de procédés d’exploitation des sources renouvelables d’énergie, afin de remplacer à moyen ou long terme les énergies fossiles.

Pour cela : utiliser l’énergie rayonnée par le soleil, soit directement (techniques photovoltaïque et solaire thermique), soit indirectement : en exploitant l’énergie chimique stockée par les plantes lors de la photosynthèse sous forme de sucres ou d’amidon.

Différents usages de la biomasse : soit par combustion, soit comme carburants (les biocarburants, aussi appelés agrocarburants).

Des programmes ambitieux (objectif européen de 10% de biocarburants en 2020) qui se heurtent à plusieurs inconvénients :

-Economique : Carburants produits à partir de cultures à vocation générique, c’est-à-dire destinées à la fois à la filière énergie et à l’industrie agro-alimentaire. Cet usage participe par conséquent à la hausse du prix des denrées alimentaires.

-Ecologique : Les surfaces nécessaires à leur culture sont considérables : participe à la déforestation.

b) Produire un carburant

Au sein de la production de biocarburants on peut d’abord distinguer trois sous-filières en fonction de la technique utilisée (ne correspondent pas aux générations successives de biocarburants). Soit :

-on exploite l’huile contenue dans les plants de colza, de tournesol ou d’autres oléagineux (biodiesel et esters).

-on produit un alcool par fermentation des sucres que contiennent en grande quantité certains végétaux comme les betteraves ou la canne à sucre (bioéthanol). L’éthanol n’est pas utilisé directement comme carburant mais est transformé en un éther.

-ou on produit des hydrocarbures gazeux par une fermentation anaérobie, c’est-à-dire dans un milieu privé de dioxygène. Ainsi obtenu, le biogaz est constitué à 65% de méthane (CH4), de 34% dioxyde de carbone (CO2), d’eau et de composés azotés et sulfurés.

Bus roulant au biogaz en Suède. Ce pays a été l’un des premiers à développer la filière biogaz pour le transport public. Une expérimentation est également en cours à Lille.

II) Deuxième génération : une réponse partielle

Les biocarburants de deuxième génération tentent de palier à certains des défauts de leurs prédécesseurs. Ils sont obtenus à partir de sources ligno-cellulosiques (bois, feuilles, paille, etc.).

De nouvelles espèces végétales, encore inconnues du grand public (comme par exemple le Jatropha), présentent également des capacités considérables de stockage de lipides.

Avantage : un meilleur bilan écologique

-Des cultures à seule vocation énergétique, donc plus de concurrence directe avec l’industrie agro-alimentaire.

-Les plantes peuvent être valorisées dans leur totalité. En effet toute cellule végétale contient, en proportions variables, de la lignine et de la cellulose. Il n’y a plus de concurrence directe avec la filière agro-alimentaire et des déchets de celle-ci peuvent être valorisés.

-Cependant la valorisation de plantes entières tend à appauvrir les sols, en les privant de sources naturelles de matières organiques : apports supplémentaires en engrais nécessaires.

Inconvénient : un bilan économique moins bon

-Un réseau de collecte et distribution (stockage, transport, information) est à mettre en place. La collecte des déchets agricoles, comme les nouvelles cultures à vocation énergétique et encore peu répandues, ne peuvent bénéficier des structures existantes.

-Procédés techniques avancés nécessaires pour obtenir des rendements comparables ou supérieurs à ceux de la première génération.

Le fruit du Jatropha curcas

III) Troisième génération : les perspectives de recherche

Il s’agit cette fois de concentrer au maximum la production de carburants, par exemple en cultivant des microalgues. L’objectif à long terme est de s’affranchir des contraintes dues à la culture d’êtres vivants, notamment la contrainte du sol. Pour cela, on imagine des structures reproduisant les mécanismes chimiques impliqués dans la photosynthèse.

a) La culture de micro-organismes

Les microalgues, comme les autres végétaux, stockent des sucres et des lipides pour garantir leur développement. Dans certaines conditions, ces réserves peuvent cependant devenir bien plus importantes.

Avantages : un impact écologique théoriquement satisfaisant…

- L’espace nécessaire à la culture d’algues est faible : cette pratique ne participe pas directement à la déforestation.

-La grande diversité de ces algues, à laquelle s’ajoute la possibilité de les améliorer génétiquement, donne l’espoir d’améliorer les très faibles rendements (environ 1%) de la conversion d’énergie de source solaire en carburants.

Inconvénient : ….mais encore très incertain

-Une telle culture nécessite grandes quantités d’eau (renouvellement continu et vidanges), fait appel à de nombreuses substances chimiques (engrais et pesticides sélectifs afin de ne conserver qu’un type d’algues précis), à un système de régulation thermique et chimique (les algues doivent croître dans des conditions optimales).

-Ce type de culture étant peu fréquent, de grandes incertitudes subsistent quant à la rentabilité sur le long terme.

A Alicante, en Espagne, le dioxyde de carbone dégagé par une cimenterie alimente ces tubes où sont cultivées des algues. Produisant des biocarburants, ce centre présente donc un double intérêt écologique.

b) Les procédés bio-inspirés pour la production d’hydrogène

Les approches visant à reproduire artificiellement les mécanismes de photosynthèse se sont multipliées depuis le début des années 2000. Elles concernent principalement la troisième sous-filière, c’est-à-dire la production de dihydrogène. En effet les microalgues produisent du dihydrogène, mais seulement dans des circonstances exceptionnelles (stress soudain, etc). L’idée est de copier la technique qu’elles utilisent, en l’améliorant.

Avantage : une technique économiquement et écologiquement viable

-On s’affranchit non seulement du sol, mais du vivant lui-même, et des nombreuses contraintes qu’il pose pour son entretient.

-Possibilité de standardisation : les structures de production d’hydrogène bio-inspirée pourraient ressembler à l’avenir à des sortes de panneaux solaires, faciles à diffuser et exploiter.

Inconvénient : des projets encore abstraits

-Ces projets ne sont encore qu’à l’état de recherche, et celle-ci s’annonce encore longue. Outres le choix des composés chimiques reproduisant la photosynthèse, il faut encore fixer durablement ces composés sur un support. Dans l’état actuel des recherches, la production de dihydrogène ne se maintient à un seuil satisfaisant que durant quelques heures.

Schéma représentant les trois modules à assembler pour pouvoir produire du dihydrogène. Très indépendants l’un de l’autre, les trois complexes chimiques sont réunis par de fragiles liaisons. Grâce à l’énergie lumineuse (hv) apportée au module photoactif, les électrons arrachés au niveau du module catalytique se déplacent en empruntant les liaisons, de la droite vers la gauche.

Ce schéma montre une cuve produisant du dihydrogène (H2) selon une méthode bio-inspirée, en deux étapes. L’énergie du soleil permet

-De transformer l’eau en dioxygène (évacué) et en ions H+ (à droite)

-De former du dihydrogène à partir de ces ions H+ (à gauche)

Module catalytique :

c’est là que la réaction se

produit

Module

photoactif : reçoit

l’énergie lumineuse

Module

d’ancrage : attache

Conclusion

Des approches très diversifiées et qui ne peuvent pas toutes aboutir : une sélection aura lieu, en particulier selon le critère économique.

Le dynamisme de la recherche scientifique joue un rôle déterminant, à la fois à l’échelon global et à l’échelon national (fort potentiel de création d’emplois dans le secteur de l’énergie).

Aujourd’hui : en grande majorité des biocarburants de première génération (à partir de céréales, palmier à huile, etc.), mais, du fait de la grande diversité des techniques, il n’existe pas de séparation stricte entre ces catégories.

Ce panorama devrait se préciser dans un avenir proche.

Sources :

-Le dossier de presse du CEA intitulé Bioénergies : les recherches sur les biocarburants de 3ème génération, 5 mai 2010 -Pages Biocarburant (français) et Biofuel (anglais) sur Wikipédia, dans leur version du 06/01/2012. Ecrit par Maxime REMOND