Biocarburants liquides à partir de microalgues - Défis et perspectives de la production

Deux principaux types de biocarburants liquides sont en production en 2023 : le biodiesel et le bioéthanol. Leur production a augmenté au cours des dernières années grâce au recours à des technologies déjà matures comme la fermentation de sucres de canne, de betterave ou de maïs, et la transestérification d’huiles usagées, de colza ou de soja. Cependant, la question des matières premières utilisées est posée. Le recours à une production de masse intrinsèque au domaine de l’énergie pose des conflits d’usage des sols avec la production de ressources agricoles pour l’alimentation (exemple du colza et du maïs, notamment), ainsi que des risques de déforestation (exemple du palmier à huile). En France, depuis le Grenelle de l’Environnement en 2009, la priorité est donnée aux biocarburants dits de 2^e ou 3^e génération se différenciant de ceux de 1^ère génération (aussi appelés agrocarburants) car non produits à partir de cultures destinées traditionnellement à l’alimentation. Les biocarburants de 2^e génération se substituent donc progressivement à ceux de 1^ère génération, ils sont issus de matières premières non comestibles, de déchets agricoles ou de déchets tels que les huiles de cuisson usagées et les graisses animales. Cette voie amène un progrès indéniable par le développement de procédés visant une exploitation optimisée des bioressources (approches de type bioraffinerie) ou la mise en œuvre à l’échelle industrielle de principes d’économie circulaire. Cependant, la demande croissante en biocarburants pose la question à terme de leur approvisionnement. Ainsi, en 2023, des tensions sont déjà ressenties sur les approvisionnements en huiles végétales usagées. Les obligations d’intégration de biocarburants dans les différents secteurs du transport, et en particulier pour l’aviation civile, ne feront qu’accroître ces tensions du fait des très forts volumes impliqués.

Les biocarburants issus de microalgues entrent dans la catégorie des biocarburants de 3^e génération. Bien que l’usage des microalgues en alimentation soit possible, elles ne sont pas considérées comme une ressource agricole primaire. Leur culture peut s’effectuer également sur des terres non arables [CHV 4 030]. Comme pour les plantes supérieures, la croissance des microalgues basée sur la photosynthèse ne nécessite, en général, qu’un apport de lumière, des sources de nutriments principalement inorganiques, du CO₂ et de l’eau. Une partie des nutriments peut être apportée au travers d’effluents industriels (CO₂ de fumées industrielles, nitrates et phosphates issus d’eaux usées), ouvrant des possibilités dans l’économie circulaire, où les microalgues sont associées à un traitement d’effluents industriels pour produire une biomasse d’intérêt pour des applications notamment énergétiques. De plus, du fait de leur croissance en milieu aqueux (eau de mer, eau douce ou eau saumâtre), leur culture s’effectue hors sol dans des bassins ou des systèmes fermés appelés photobioréacteurs. Cela apporte certains avantages, comme l’absence (ou en tout cas la très forte diminution) des risques de pollutions des nappes phréatiques par l’usage des engrais (c’est-à-dire nutriments de croissance). Cette possibilité d’isolement de l’environnement combinée au fait que leur structure biologique est plus simple en comparaison des plantes supérieures (absence de tiges ou racines, et de lignine) fait que le potentiel de production ramené à l’hectare est plus important par rapport à autres sources de biocarburants ; ce dernier est un critère essentiel pour optimiser l’utilisation des terres à long terme. Les biocarburants issus de microalgues sont donc considérés en complémentarité, voire en alternative, aux autres générations ou sources de biocarburants.

Cependant, la production de vecteurs énergétiques à partir de microalgues à échelle industrielle se heurte à de nombreux obstacles à la fois techniques, de coût et de durabilité, avant de pouvoir s’affirmer. L’effort scientifique à mener est pluridisciplinaire, nécessitant à la fois des recherches en amont et une levée des verrous de l’industrialisation. L’ensemble se révèle au final très intégré. Par exemple, le choix de la souche de microalgue conditionnera les métabolites énergétiques produits et donc la qualité finale du biocarburant (les profils lipidiques obtenus doivent permettre d’obtenir un biocarburant respectant les normes sur le biodiesel). Dans le cas d’une culture solaire à grande échelle, la croissance des microalgues, et donc la productivité en biomasse, sera également affectée par (i) la conception même des systèmes de culture (aptitude à maintenir les conditions de croissance en température et pH, mais aussi à capter la lumière et à la transférer dans le volume de culture où se développent les microalgues), (ii) les apports en nutriments (incluant le transfert gaz-liquide nécessaire au transfert du CO₂ gazeux en phase liquide afin qu’il puisse être assimilé par les microalgues), (iii) les éventuelles compétitions avec d’autres organismes (contaminations biologiques par des prédateurs) et (iv) la dépendance aux conditions météorologiques par essence fluctuantes (intensité lumineuse, saisons, etc.).

Malgré ces difficultés, un effort important de recherche et de développement a été réalisé, en particulier au sein de laboratoires académiques engagés sur la thématique un peu partout dans le monde. Cela a permis d’identifier des solutions à certains de ces problèmes. Cet article a pour but d’en présenter les principales. À noter qu’il se focalise sur la production de biocarburants liquides issus de l’extraction de composés énergétiques de microalgues, ensuite convertis en biocarburants. Comme toute biomasse végétale, d’autres procédés de conversion (notamment de conversion thermo-chimique de type liquéfaction hydrothermale, gazéification, etc.) peuvent être appliqués directement sur la biomasse produite. Ils ne seront pas développés ici.

Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire des termes utilisés.