Microalgues

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Définition et catégories

Les microalgues sont des micro-organismes aquatiques. Dotées d’une croissance rapide, elles ont la particularité de pouvoir produire des substances industriellement intéressantes. Toutefois, leur potentiel est encore peu exploré : sur un million d’espèces estimées, seules 30 000 environ ont été étudiées.

Déjà utilisées dans l’alimentaire, les cosmétiques et les fertilisants, les microalgues sont considérées comme une voie alternative aux carburants traditionnels et aux dérivés chimiques biosourcés. En effet, certaines espèces ont la capacité de produire des composés ayant un potentiel énergétique comme les lipides (source de biodiesel) ou l’amidon (source de bioéthanol). Les microalgues font partie des biocarburants dits de 3e génération. Ils se distinguent des agrocarburants, issus de cultures destinées traditionnellement à l’alimentation et des biocarburants de 2e génération, produits à partir de sources végétales non alimentaires telles que le bois et les déchets végétaux.

Les microalgues peuvent également intervenir dans la production de deux autres types de biocombustibles : l’hydrogène et le biogaz.

Fonctionnement technique ou scientifique

La majorité des microalgues convertissent l’énergie solaire en utilisant du CO2 et de l’eau pour produire de l’oxygène et de la biomasse algale (matière organique) par une réaction appelée la photosynthèse. Les microalgues sont caractérisées par un rendement photosynthétique très élevé (rapport entre l’énergie lumineuse incidente et l’énergie stockée dans la plante).

Les cultures de microalgues

Préalablement sélectionnées, les microalgues sont cultivées de manière contrôlée afin d’obtenir de grandes quantités de biomasse algale.

Habituellement, l’eau de mer enrichie en nutriments (comme les nitrates et les phosphates) est utilisée pour la croissance de ces microorganismes. Toutefois, le recours à de l’eau douce et saumâtre (provenant de lacs ou de rivières) est également possible.

Les principales méthodes de production sont :

  • les bassins à ciel ouvert, peu coûteux à faire fonctionner. Néanmoins, ces systèmes ouverts voient leur productivité affectée par des contaminations microbiennes et une perte d’eau par évaporation ;
  • les photobioréacteurs, tubes transparents formant un système clos. Leur coût s’avère plus élevé mais est compensé par des productivités supérieures.

Les applications

Production de biodiesel

Cultivées dans des conditions dites « de stress » (par exemple une carence en nitrates ou une augmentation soudaine de l’intensité lumineuse), certaines espèces augmentent significativement leur production de lipides, pouvant atteindre 80% de leur masse sèche. Toutefois, ces conditions de fortes productivités ne peuvent pas être maintenues sur de longues durées. En effet, elles conduisent à un arrêt de la croissance et à la consommation des réserves lipidiques produites. L’optimisation de la productivité en lipides passe donc par une alternance entre croissance (donc sans carence) et production d’huile (avec un stress ralentissant la croissance).

Les microalgues sont ensuite récoltées et l'huile est extraite selon différentes méthodes (centrifugation, traitement au solvant, lyse thermique, etc.) pour être transformées en biodiesel. Les techniques classiques de transestérification, développées pour les huiles végétales, peuvent être appliquées : le principe consiste à faire réagir l’huile algale avec du méthanol ou de l’éthanol(1).

Production de bioéthanol

Les recherches portant sur la production d’algocarburants s’orientent surtout vers le biodiesel.

Toutefois, ces micro-organismes produisent aussi des glucides (tels que le glucose ou l’amidon) présentant un intérêt pour la production d’un autre biocarburant, l’éthanol. Celui-ci est produit au cours d’une fermentation anaérobie (sans oxygène) en l’absence de lumière à partir de l’amidon. L’alcool obtenu est ensuite concentré et hydraté pour aboutir au bioéthanol(2).

Production de biogaz

Il s’agit de la filière la plus aboutie parmi toutes les productions de biocombustibles.
La biomasse algale, concentrée et humide, se révèle particulièrement adaptée au processus de méthanisation. Après fermentation en condition anaérobie (absence d’oxygène) dans un digesteur chauffé, elle génère un biogaz composé de 70 à 80% de méthane. Celui-ci peut être utilisé pour la production de chaleur et d’électricité ou directement injecté dans un réseau de gaz.

Une association entre production de biomasse, captage de CO2 et production de biogaz fait actuellement l’objet d’études. Le CO2, généré par la combustion de biogaz, pourrait être recyclé directement pour produire de la biomasse microalgale, celui-ci étant nécessaire à la réaction de photosynthèse.

Production biologique d’hydrogène

En parallèle de la production de biomasse à partir du CO2, les microalgues sont également capables de fournir de l’hydrogène gazeux en milieu anaérobie (sans oxygène).

Néanmoins, ce phénomène est limité car la réaction de photosynthèse produit de l’oxygène, inhibant la synthèse d’hydrogène. À l’heure actuelle, la transformation de l’énergie lumineuse en hydrogène gazeux est donc insuffisante pour que cette voie soit rentable. Afin d’améliorer ce rendement, plusieurs approches sont développées en laboratoire, et notamment celle des modifications génétiques.

Enjeux par rapport à l'énergie

Rendement actuel

Une production microalgale à vocation énergétique pourrait présenter de nombreux avantages en termes de rendement et d’un point de vue environnemental :

  • dans le domaine des biocarburants, certaines espèces peuvent produire une quantité d’huile estimée à plus de 30 fois supérieure à celles des plantes oléagineuses terrestres (colza, tournesol…) pour une même surface;
  • les microalgues sont cultivées sur des surfaces réduites, n’entrant pas a priori en compétition avec les surfaces agricoles destinées à une production alimentaire. En effet, les microalgues peuvent croître dans des eaux impropres à toutes formes de culture terrestre, tout en les dépolluant et les purifiant (notamment par l’utilisation comme nutriments de nitrates ou de phosphates, sans les rejeter ensuite);
  • elles présentent un potentiel important pour la fixation du CO2 d’origine industrielle, nécessaire en grandes quantités pour leur croissance.

Toutefois, l’utilisation des microalgues comme source d’énergie (qu’il s’agisse de la production d’hydrogène, de biocarburant ou de biogaz) nécessite encore des améliorations avant une application à l’échelle industrielle :

  • les procédés de culture des microalgues et d’extraction de la biomasse présentent aujourd’hui des bilans énergétique et économique défavorables. À titre d’exemple, le coût estimé d’un baril d’algocarburants s’élève à 300 dollars alors que celui du baril de pétrole brut est d’environ 100 dollars pour une valeur énergétique plus élevée;
  • le risque de prolifération des microalgues et les modifications génétiques visant à améliorer leur productivité rendent encore incertain l’impact environnemental d’une exploitation de masse.

Recherche et développement

Ainsi, le développement de la filière microalgue passe par des travaux de recherche et développement dans les domaines suivants :

  • l’optimisation du rendement de production par régulation de l’apport en énergie lumineuse avec des systèmes automatisés comme dans les serres ;
  • le choix des espèces dont les optima de culture sont adaptés aux conditions saisonnières afin d’améliorer les rendements pour les cultures d’hiver ;
  • la recherche d’un compromis durable entre la synthèse des lipides pour obtenir une bonne concentration en huile et la croissance rapide ;
  • la quantification des apports nécessaires en oligoéléments et vitamines et le recyclage de l’azote et du phosphore contenus dans la biomasse qui ont un impact direct sur le coût de production ;
  • la définition du processus industriel de récolte des microalgues et d’extraction d’huile adaptées à des organismes de quelques microns. Ceci passe par des avancées techniques en ultra filtration ou par la sélection d’algues floculant ou sédimentant facilement ;
  • l’adaptation du processus industriel à la culture en eau douce ou en eau de mer. Si la culture est en eau douce, il peut y avoir conflit avec d’autres utilisations mais le couplage avec une source de CO2 est plus aisé ;
  • la réduction du risque de contamination pour des cultures en milieu ouvert ;
  • la recherche des meilleurs sources d’algues pour un meilleur compromis entre croissance rapide, contenu en huile, facilité de récolte et faible demande énergétique. Certaines équipes de recherche ont fait le choix des OGM qui nécessitent des cultures en photobioréacteurs ;
  • l’établissement d’un écobilan complet des processus retenus pour mettre en balance la production d’huile avec les besoins en eau, en azote et en phosphore et les investissements nécessaires.

Il apparaît, compte tenu de toutes les recherches qui sont encore nécessaires, que les chiffres de production avancés de 100 à 150 tonnes d’huile par hectare et par an doivent certainement être divisés par 5 à 10 jusqu’à 2025.

Acteurs majeurs

L’investissement mondial dans la recherche sur la biomasse marine dépasse aujourd’hui le milliard de dollars. Les pays les plus en pointe dans ce domaine sont les Etats-Unis, l’Australie et Israël. En Europe, une quinzaine de programmes scientifiques ont été lancés dont trois en France, situés en région Provence-Alpes-Côte-D’azur :

  • Shamash, initié en 2006 et coordonné par l’INRIA (Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique), a pour objectifs la production d’algocarburants et son évaluation sur le plan technico-économique;
  • Symbiose, lancé en 2009 par l’ANR (Agence Nationale dela Recherche) et coordonné par l’entreprise Naskeo Environnement, s’intéresse au couplage de la culture de microalgues à la production de biogaz (se faisant à partir de déchets industriels et agricoles) pour le captage du CO2;
  • Salinalgue est un projet porté parla Compagniedu vent/Biocar (filiale du groupe GDF Suez) visant la culture d’une espèce de microalgue à grande échelle pour étudier et expérimenter l’extraction de ses composés.   

Les installations pilotes, de biocarburant principalement mais aussi de biogaz, font l’objet de collaborations entre centres de recherche et industriels. Ainsi, la production expérimentale de biocarburants algaux mobilise plus d’une centaine de sociétés dans le monde et parmi elles des majors pétroliers (ExxonMobil, Shell, Chevron). 

Passé et présent

Les premiers travaux sur les biocombustibles microalguaux datent des années 1940 et ont comme sujet principal la production du biogaz. Développée au début des années 1970 par le Pr. William J. Oswald (Université de Berkeley)(3), cette piste est néanmoins abandonnée dans les années 1980 au profit des biocarburants. Toutefois, elle est réétudiée depuis une dizaine d’années : la filière est actuellement la voie de production d’énergie à partir de microalgues la plus simple et la plus rentable à court terme(4).

La découverte de production d’hydrogène par les microalgues date aussi des années 1940, par Hans Gaffron (Université de Chicago). Toutefois, les recherches pour comprendre ce phénomène (transitoire à l’état naturel) ont échoué jusqu’à la fin des années 1990. Aujourd’hui, l’objectif est de développer un procédé permettant de contrôler et d’optimiser cette production biologique d’hydrogène(5).

L’intérêt porté aux microalgues comme source de biocarburants fait suite au premier choc pétrolier de 1973. À partir de 1978, les recherches du NREL (National Renewable Energy Laboratory) et du DOE (Department of Energy, Etats-Unis) se focalisent sur le biodiesel. Elles sont arrêtées en 1996 en raison du prix bas des énergies fossiles et des coûts élevés prévus pour la production de carburant algal. Néanmoins, la hausse du cours du pétrole dans les années 2000 favorise une reprise des travaux aux Etats-Unis et le début des études en Europe.

Futur

5 à 10 ans de recherche et de développement sont estimés nécessaires pour une production industrielle rentable de biocarburants algaux.

À plus long terme, en parallèle des projets utilisant ces microorganismes, les travaux devraient s’orienter vers la réalisation d’une « photosynthèse artificielle » : il s’agit de reproduire les réactions microalgales à l’origine des composés d’intérêt énergétique.
Les microalgues utilisent une partie de l’énergie solaire pour d’autres fonctions que la photosynthèse, nécessaires à leur survie. En les remplaçant par un système artificiel, toute l’énergie solaire capturée serait convertie, augmentant le rendement du processus.