Algue et énergie

Une source d’énergie renouvelable mal connue

dimanche 12 octobre 2008
par frage

Les algues sont des organismes capables de survivre uniquement avec de la matière anorganique et de la lumière, adaptés à la vie aquatique.

Les algues constituent un groupe important de la flore globale, regroupant environ 10% de toutes les espèces végétales. Elles correspondent aux végétaux les plus anciens et sont les végétaux les plus répandus jusqu’à aujourd’hui. Pratiquement sans exception, les algues sont adaptés au milieu aquatique. Algues et Cyanobactéries (ces derniers sont souvent comptés comme « algues » par les scientifiques) sont les producteurs principaux du plancton et de l’oxygène. Elles sont à l’origine de la vie aquatique et terrestre, et donc indispensables pour elle encore aujourd’hui.

Les algues portent un grand potentiel biotechnologique et trouvent des applications dans le secteur de l’alimentation humaine et animale, de la cosmétique et de la mèdecine. Grâce à leur potentiel d’absorption de CO₂, de production rapide de biomasse et leur composition riche en huiles végétales, elle sont des ressources prometteuses d’énergie.

Pour obtenir une prolifération rapide, elles peuvent être cultivées dans des bassins ou des bioréacteurs étudiés pour leur culture. Quand la biomasse a atteint un certain niveau, elle peut être récoltée et utilisée pour la production de biodiesel ou de biomasse.

D’autres variétés d’algues peuvent produire de l’hydrogène qui pourra être utilisé comme ressources pour les piles à combustible.

Leur forte concentration en protéines et lipides les rendent intéressantes pour la production de biodiesel qui est basé sur la modifcation chimique des huiles végétales (transesterification).

Ce tableau montre la composition chimique des différentes algues (%, poids sec)

Algue (%, poids sec)	Protéine	Carbohydrates	Lipides	ARN / ADN
Scenedesmus obliquus	50-56	10-17	12-14	3-6
Scenedesmus quadricauda	47	-	1.9	-
Scenedesmus dimorphus	8-18	21-52	16-40	-
Chlamydomonas rheinhardii	48	17	21	-
Chlorella vulgaris	51-58	12-17	14-22	4-5
Chlorella pyrenoidosa	57	26	2	-
Spirogyra sp.	6-20	33-64	11-21	-
Dunaliella bioculata	49	4	8	-
Dunaliella salina	57	32	6	-
Euglena gracilis	39-61	14-18	14-20	-
Prymnesium parvum	28-45	25-33	22-38	1-2
Tetraselmis maculata	52	15	3	-
Porphyridium cruentum	28-39	40-57	9-14	-
Spirulina platensis	46-63	8-14	4—9	2-5
Spirulina maxima	60-71	13-16	6-7	3-4.5
Synechoccus sp.	63	15	11	5
Anabaena cylindrica	43-56	25-30	4-7	-
Source : Becker, 1994

Aujourd’hui on sait que les algues peuvent produire de l’hydrogène de trois façons différentes : la photolyse directe et indirecte et la synthèse basée sur ATP.

La photolyse directe produit de l’hydrogène et de l’oxygène simultanément et correspond donc à un risque d’explosion et à un coût considérable afin de séparer les deux. De plus, les hydrogénases, enzymes responsable à la synthèse de l’hydrogène, perdent de leur activité en présence d’oxygène.
Le processus indirect est plus favorable car en conditions anaerobiques et avec une carence de sulfure dans le milieu, une partie des carbohydrates stockés est convertie en hydrogène.

Aspects positifs

- La culture des algues présente plusieurs avantanges :

Leur croissance est rapide et leur periode de culture peut être courte. Plusieurs récoltes par an sont possible en comparaison avec une recolte par an pour le colza, le mais etc.
Leur culture est relativement simple demandant essentiellement l’entrée de lumière et de l’H₂O pour rendre possible les réactions de la photosynthèse.
Les algues ont une grande capacité d’adaptation aux conditions environnementales : elles peuvent proliférer sur de l’eau salé à des températures chaudes et froides. 80000 variétés ont été identifiés avec un potentiel mal connu. Aujourd’hui, environ 160 variétés sont utilisés commercialement (source : Planet Wissen). Concernant leur exploitation pour la bioénergie, cette variété dispose probablement des candidats intéressants.

- La productivité par les algues (en litres biodiesel par hectar et an) est beaucoup plus élévée que celle du mais, du soja ou du colza (facteur 100 à 400, source : Kiplinger report, SolarBioFuels).

- En terme de production de gaz à effet de serre, la culture des algues comme ressource d’énergie est intéressante car le bilan d’émission de CO₂ à partir de la biomasse est égal à zéro.

- Elles absorbent le CO₂ de l’atmosphère et peuvent donc s’appliquer à la mitigation des émissions de CO₂ des installations industrielles.

- Sous certaines conditions environnementales, plusieurs variétés d’algues, comme par exemple l’algue verte Chlamydomonas reinhardtii, peuvent produire de l’hydrogène.
Un consortium de cherceurs australiens et allemands s’est crée pour promouvoir recherche et développement sur ce sujet - en 2007, SolarBiofuels a reçu une subvention de 225.000 USD du gouvernement australien. Ben Hankamer, un des associés du consortium et professeur à l’Université de Queensland, se montre optimiste pour une exploitation commerciale dans un futur proche. L’importance de capturer du CO₂ atmosphérique ainsi que l’augmentation du prix de pétrole sont favorable à l’exploitation commerciale des algues comme ressource d’énegie sous forme de biodiesel et de l’hydrogène (source : Vehiculespropres.net).

- Au contraire d’autres ressources renouvelables pour la production de biomasse, les algues n’entrent pas en conflit avec le marché alimentaire ou la déforestation. Elles peuvent être cultivées sur des terres non arables et utilisent très peu d’eau par rapport aux plantes classiquement cultivées pour produire des agrocarburants.

- La culture des algues génétiquement modifiées (améliorée dans leur production de biomasse, des huiles ou de l’hydrogène) dans des réacteurs fermés pourrait provoquer moins de réactions négatives que la culture des plantes génétiquement modifiées (OGM) dans les champs car il n’y a pas de risques de propagation non contrôlée.

-De multiples utilisations des algues autres que pour l’énergie sont possibles mais encore dans un stade très précoce : alimentation, construction et cosmétique. Les résidus restant après l’extraction des huiles peuvent être utilisés pour d’autres applications ce qui conduit à une très faible production de déchets.

Aspects négatifs

- Les meilleures valeurs pour la production de biomasse n’ont été observé que pendant des cultures de courte durée et sous conditions bien contrôlées (remuant de la solution contenant les algues, faible densité de cellules, température optimal). Ces conditions sont difficile à maintenir pour une longue durée de culture. Le scale-up est difficile et couteux. Jusqu’à aujourdhui, aucune installation industrielle n’a réussi a se développer sur ce secteur.

- En 1998, la supposition était que la production de biodiesel à partir des algues coûte trop cher par rapport au diesel issu de l’exploitation des ressources fossiles. Avec l’augmentation de prix du barril, ceci pourra bientôt changer. Aujourd’hui seulement 0,2% des photons acquis par l’algue sont transformé en molécule d’hydrogène alors que pour un rendement satisfaisant il en faudrait 7 à 10%. Ceci implique qu’il faudra une très forte entrée de lumière et donc un plus haut coût de production (source : SolarBioFuels).

Contrainte

- La production de l’hydrogène demande une réflexion sur le principe de stockage et de distribution de ce gaz extrèmement explosif quand il est en contact avec de l’oxygène. Les installations du futur minimisant tous risques seront probablement couteuses.

Axes de réflexion

- Où en est on avec la production de biodiesel et de biohydrogène des algues ? Qui va sortir un premier modèle économique viable pour la production de biomasse ou d’hydrogène ? Quels sont les acteurs à la pointe de la recherche et du développement ?

- La culture des algues pour la production de biomasse est plus productive dans un système fermé (bioréacteur en matière transparent pour laisser passer la lumière) que dans un bassin ouvert (anglais "open pond"). En effet un système fermé utilise moins d’eau (environ 1000 fois moins que pour des plantes cultivées), produit plus de biomasse (environ 5 fois plus que dans un système ouvert) et réduit les risques de contamination (source : SolarBioFuels). Actuellement, plusieurs start-ups (notamment aux Etats-Unis) et laboratoires de recherche investissent dans le développement et l’amélioration de photobioréacteur pour réduire les coûts de production à 10 €/m².

Perspectives

- Selon certains experts, l’utilisation des algues est très avantageux par rapport à d’autres ressources végétales pour le biodiesel et devrait passer au premier rang dans environ 5 ans par une commercialisation à grande échelle (source : Kiplinger report on biofuels).

- Identifier les algues les mieux adaptées à la production de biodiesel et de biohydrogène

- Améliorer les technologies (photobioreactor) pour passer à l’échelle industrielle et à la commercialisation.

- Innover pour les produits secondaires après l’extraction des huiles : protéines, sucres et résidus peuvent être utilisés comme engrais ou pour l’alimentation des animaux.

- Quels potentiels d’utilisation des algues pour les pays en voie de développement ? Une technologie "open pond" où les algues sont cultivées dans des bassins ouverts pourraient trouver des applications dans certains pays avec un climat chaud est favorable à une prolifération rapide des algues.Certaines variétés d’algues sont adaptées à des conditions environementales peu favorable. Une culture facilitée au bord de la mer ou dans des eaux usées est aussi envisageable.