#ProjetKodama : Pourquoi et comment peut-on faire du biocarburant avec des micro-algues ?

C’est plutôt simple sur le papier en fait :

Grossièrement il s’agit de récupérer la partie lipidique (huileuse) des microalgues, de lui faire subir une légère modification chimique et nous avons notre carburant! Il y a des lipides dans tout ce qui vit (les bactéries, les animaux et même les humains !) mais les microalgues ont un énorme avantage : elles sont autotrophes !

C’est à dire que pour se multiplier il ne leur faut que du CO2, de la lumière et quelques sels minéraux, alors que pour les organismes hétérotrophes il faut une alimentation beaucoup plus raffinée et donc plus chère et difficile à trouver ! Tous les végétaux sont autotrophes, mais les microalgues ont un nouvel avantage par rapport au blé par exemple : elles poussent vite, très vite !

Dans le meilleur des cas un champ de blé produit une récolte par an, là où les microalgues se dédoublent toutes les 12h. On peut ainsi avoir une production en continu toute l’année de biomasse algale ! De plus les rendement annuels théoriques des microalgues sont plus de 100fois plus élevés que pour les céréales, on peut donc économiser énormément de surface au sol pour la même quantité produite. Encore plus si on considère que certaines techniques de culture d’algues permette d’accumuler les bioréacteurs à la verticale, chose encore impossible pour les autres végétaux !

Ainsi pour produire plein de carburant, il faudra plein de lipides, donc plein de microalgues, ce qui implique plein de sève d’arbre pour les nourrir et plein de forêts! D’après nos calculs on pourrait complètement remplacer le pétrole simplement avec 10% des terres émergées plantées de forêts ! A titre de comparaison, aujourd’hui 30% des terres émergées du globe servent simplement à la production de fourrage pour la production de viande, nous sommes donc dans des chiffres complètement atteignables, surtout lorsqu’on parle d’une solution au réchauffement climatique, un problème jusque là insoluble !

OK mais concrètement ? Comment on récupère ces lipides dans les microalgues ?

Alors oui évidemment c’est un peu plus délicat que le bref résumé précédent, et beaucoup de tentatives se sont cassé les dents sur la viabilisation d’une filière de biocarburants abordables produits à partir de microalgues…

Le nombre d’algues que l’on peut produire est limité par la nourriture que l’on peut leur apporter (principalement l’azote, le phosphore et le CO2) c’est l’azote qui est le plus limitant, sans source d’azote pas de production de biomasse végétale ! Aujourd’hui les nitrates sont produits de manière chimique ou issue de ressources minières (oui oui, même pour l’agriculture conventionnelle! Les sources naturelles d’azote sont très rares, d’où l’importance des lisiers dans l’agriculture biologique !). Donc pour une bonne production de microalgues il faut penser à une bonne source d’azote ! La sève est particulièrement pertinente en ce sens puisque c’est l’arbre qui s’est lui-même occupé d’extraire l’azote du sol par ses racines !

Les microalgues ont ensuite besoin d’une source adaptée de lumière pour pouvoir réaliser la photosynthèse, la lumière du soleil directe peut dans certains cas être un problème car peu pratique à rediriger et optimiser aux différentes phases de croissance. La lumière solaire est parfois tellement intense qu’elle en devient nocive pour les microalgues surtout en début de croissance. L’autre problème de la lumière naturelle c’est quand il n’y en a pas ! La nuit il n’y a pas d’éclairage, on perd donc la moitié du rendement possible lorsqu’on se limite à l’éclairage naturel…Aujourd’hui l’éclairage LED est une solution particulièrement pertinente, très peu énergivore, et très facile à contrôler pour l’adapter au différentes phases de croissance de l’algue et modulable à 360° !

Il faut finalement un bon réacteur avec une bonne hydrodynamie qui permette un brassage optimal et d’atteindre des rendements élevés ! Pour cela diverses techniques existent, les bassins en extérieur sont la pire des solutions : les microalgues se font mutuellement ombrage, la couche d’eau est si épaisse que la lumière n’a aucune chance d’atteindre toutes les cellules, et l’agitation ne permet pas un bon brassage (sans même parler des risques de contamination en plein air)… La meilleure des solution à ce jour est le photobioreacteur tubulaire avec agitation à bulles : Les tubes sont suffisamment fins pour limiter les zones d’ombrage trop forte quand il y a une grande concentration cellulaire, et le bullage d’air permet un excellent brassage des microalgues. Les tubes sont de plus modulables et extensibles verticalement, limitant considérablement le besoin en espace au sol ! C’est pour nous la solution à privilégier d’autant que des modèles de bioreacteurs standardisés commence à apparaître !

Une fois que nous avons produit de grande quantité de biomasse, il faut la récolter, c’est là un challenge terrible car on parle de micro-organismes qui font parfois à peine un micromètre de diamètre ! (un millionième de mètre, un millième de millimètre soit un cheveu coupé en 50 dans le sens de l’épaisseur !). On peut atteindre que les cellule décantent (qu’elles tombent au fond du bassin) mais c’est très long voire parfois impossible car certaines algues ont des flagelles qui leur permettent de nager. La filtration est très fastidieuse car les pores des tamis colmatent très très facilement vu la taille des cellules, et finalement la solution actuellement plebiscitée est la centrifugation. Cela marche bien mais c’est extrêmement coûteux et énergivore (cela représente presque 30% du coût final du biocarburant)… Néomerys travaille actuellement à une innovation de rupture sur cette question précise, pour pouvoir récolter très simplement et rapidement et pour un coût complètement minimal.

La biomasse récupérée est encore humide ! L’eau, même peu abondante, pose un sérieux problème pour la dernière étape du procédé traditionnel, il faut donc la sécher, c’est à nouveau très couteux : soit on chauffe pour évaporer, mais on peut dégrader certains lipides et c’est très cher de chauffer… Soit on lyophilise (évaporation par la congélation et le vide), c’est moins destructif mais encore très couteux et inenvisageable à très grande échelle !

Dans le cas de Néomerys, nous travaillons avec SupAgro à l’élaboration de biocatalyseurs qui tolèrent très bien la présence d’eau pour la dernière étape, ce qui nous permet d’éviter cette étape contraignante du séchage !

La biomasse séchée doit encore être broyée, pour pouvoir rendre accessibles les lipides qui sont contenus à l’intérieur des cellules. Plus la chose à broyer est petite plus c’est difficile ! Dans le cas des microalgues c’est donc trèèès difficile. C’est en général un procédé mécanique, (broyage à billes) ou alors ultrasonique lorsque c’est possible (certaines espèces d’algues y sont insensibles), la solution privilégiée actuellement est chimique : de grandes quantité d’acide, c’est simple mais polluant et très destructif, on détruit tout ce qui n’est pas un lipide (on en détruit quand même quelques uns au passage !) dans une logique de bioraffinerie où l’on voudrait valoriser les autres constituants de l’algue c’est évidemment une solution à plutôt éviter. Mais elle a l’avantage d’être simple… Néomerys travaille à une alternative à bas coût et techniquement très simple : permettre aux microalgues de s’autolyser, c’est-à-dire d’éclater spontanément à la demande. Cette innovation majeure permettra à nouveau d’énormes économies sur le coût du procédé mais nous ne pouvons malheureusement rentrer dans les détails !

Et finalement quand les lipides ont été isolés, il s’agit de les modifier un peu pour les rendre utilisables par nos moteurs ! Habituellement cette étape se fait dans des solvant organiques polluant avec des acides et des bases comme catalyseurs. Nous travaillons avec Supagro à la conception d’un nouveau biocatalyseur naturel capable de faire exactement la même opération directement dans l’eau (ce qui permet l’économie de séchage) et avec un très bon rendement ! Les économies et autres avantages écologiques sont évidemment majeurs !

Une fois cette dernière opération terminée, on purifie les esters gras (le nom du carburant final) et il est près à être utilisé dans un moteur classique !

Un énorme avantage de ce type de biocarburant naturel c’est que sa combustion émet naturellement beaucoup moins de particules toxiques (les NOx et SOx) il est donc beaucoup plus écologique en sortie de pot d’échappement que n’importe quel carburant d’origine fossile. Il émet par contre toujours du CO2 en brûlant (pas de miracle à ce niveau, la chimie est immuable, il est toujours déconseillé de respirer les gazs d’échappement ! Nous conseillons pour cela d’équiper au maximum tout véhicule de filtre à particules et de les changer souvent pour préserver l’air des villes et surtout de rouler à vitesse modérée !). Le véhicule émettra toujours du CO2, mais de par sa conception à partir d’algues et de sève d’arbres, le CO2 émis en bout de chaîne est beaucoup moins abondant que tout le CO2 que fixent les arbres qui ont permis de le produire ! Ainsi l’empreinte carbone du carburant est négative : rouler et émettre ce CO2 permet d’enlever encore plus de CO2 de l’air !