Les microalgues : un défi énergétique?

Transcription

1 Parole d expert Les microalgues : un défi énergétique? Fabrice FRANCK, ULg - Laboratoire de bioénergétique En collaboration avec Bioliège

2 Avec le soutien de :

3 Les microalgues : un défi énergétique? 1200 L.ha -1.an -1?

4

5 Les microalgues: microorganismes aquatiques photosynthétiques Organismes végétaux de taille microscopique (cellules de quelques microns) Organismes monocellulaires, parfois groupés en colonies ou multicellulaires (filaments) Habitat le plus souvent aquatique (eau de mer et eau douce) Multiplication le plus souvent par voie non sexuée Nutrition: autotrophes (photosynthèse), parfois possibilité de nutrition par voies mixotrophe et hétérotrophe (carbone organique: glucose, acétate, glycérol, ) Classification courante sur base de la couleur (contenu pigmentaire): Ex: Chlorophycées (algues vertes), Rhodophycées (algues rouges), Cyanophycées (algues bleues, cyanobactéries), Croissance rapide par division cellulaire (temps de génération de quelques heures)

6 Les premiers travaux sur la culture en masse dans les années 50 et 60 Cultures de Chlorelles dans des réacteurs tubulaires à Cambridge (Massasuchets), 1951 Cultures de Scenedesmus en chenal (Gesellshaft für Strahlen- und Umweltforschung, Dortmund) années 60 Principales conclusions: - Cultures monospécifiques stables - Rendements par unité de surface: 5-20 g.m -2.jour -1 - Effet stimulateur du CO 2 - Possible utilisation d eaux usées - Recyclage du milieu de culture - Problèmes identifiés: contaminations, substances autoinhibitrices, fouling Carte solaire :

7 La photosynthèse est essentiellement un processus d hydrogénation Glucides Acides gras (lipides) Acides aminés (protéines) glucose CO 2 NO 3 - SO 4 2- Elément % C O H 7-10 N 6-8 P 1-2 K 0,8-1,6 Mg 0,4-0,8 S 0,3-0,4 valine cystéine

8 Production de matière organique terrestre globale : 5 x tonnes an -1 dont environ la moitié par des microalgues CO 2 + NO SO 4 2- H 2 O Électrons activés protons (H+) Pigments: chlorophylle, caroténoïdes Transporteurs d hydrogène Transfert d hydrogène réarrangements Biomasse: sucres graisses protéines O 2 lumière Photosynthèse nette 0,12 (µmol O 2.ml -1.h -1 ) 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0-0,02 saturation photoinhibition zone d'efficacité maximale Irradiance (µmol photons.m -2.s -1 )

9 Cultures en masse de microalgues à ciel ouvert (chenal algal ou raceway ) Nature Beta Technologies, Israel (10 ha) Dunaliella Ingepro, Pays-Bas Cyanotech, Hawai (36 ha) Spiruline (Arthrospira platensis)

10 Cultures en photoréacteurs Proviron, Belgique Triangle airlift reactor Patent US Greenfuels, USA Solix Biofuels, USA Fotosintetica & Microbiologica, Italie Roquette, Klötze, RFA Schenk et al. (2008) Bioen. Res. 1: 20 Wijfels, Barbosa (2010) Science 329: 5993

11 La production actuelle de microalgues Production mondiale de microalgues actuelle: ± 8000 T / an Principales espèces: Athrospira platensis (spiruline), chlorelles, Dunaliella salina, Haematococcus pluvialis Marché principal: nutraceutique (aliments protéinés, antioxydants, omégas 3, ) Développement de nouveaux produits: ex, la fucoxanthine extraite de diatomées Cultures en photobioréacteurs extérieurs ( biofence ) Haematococcus pluvialis, Algae Technologies, Israel Astaxanthine: - Un antioxydant extrêmement puissant - Valeur commerciale actuelle: 2000 $ / kg de pigment pur - Forte demande

12 L engouement récent pour la production en masse de microalgues pour la production de biofuel: - Largement suscité par l augmentation du prix du baril de pétrole entre 2007 et baril = 159 litres - Renaissance de l engouement des années 70, qui donna lieu au programme Aquatic Species Program (U.S. Department of Energy) Principaux arguments favorables généralement mis en avant: - Utilisation possible de terres non cultivables - Perspectives de productivité en biomasse algale élevée - Certaines microalgues, dans certaines conditions, sont riches en lipides transformables en biodiésel - Réduction des émissions de CO 2 en comparaison avec les carburants fossiles Investissements dans les recherches sur la production de biocarburant algal: > USD

13 Les lipides des microalgues Composition en acides gras comparable à celle de plantes oléagineuse: chaînes hydrocarbonées principalement C16 et C18 et degré d insaturation variable Le procédé de trans-estérification par le méthanol produit du glycérol (qui pourrait être utilisé dans des processus de fermentation bactérienne ou comme substrat carboné pour les microalgues) et le biodiésel sous forme de méthyl-esters. La réaction est catalysée par des agents alcalins, tels que l hydroxyde de potassium. Alternative: liquéfaction hydrothermique de l ensemble de la biomasse

14 Comparaison avec d autres productions végétales (biodiésel de 1 ère génération) Rendements à l ha Source végétale Biodiesel (L/ha/an) Soja 446 Tournesol 952 Palmier à huile Soja Colza 1190 Jatropha 1892 Palme 5950 Algues (10 g m-2 j-1 à 15 % lipides) 6000 Algues (20 g m-2 j-1 à 30 % lipides) Jatropha Colza (Reuters) Best case productions de biocarburants à différentes localisations pour différents contenus en lipides de la biomasse sèche (Weyer et al. Bioenergy Res. 2009)

15 Energie réseau Nutriments: - Engrais N, P, K - Eaux usées E E E Eau Culture d algues (0,1-0,2 %) Flocs (5 %) Cake (20 %) Bioraffinerie algale CO 2 : - Air (0,035 %) - CO 2 industriel Eau, nutriments CO2 Biofuel Autres produits valorisables Agents floculants: ph, phosphates, chitosane, Bioraffinerie algale (schéma de faible valorisation): - Disruption des cellules (homogénéisation hautepression) - Extraction (solvant) - Séparation de phases (lourde et légère) - Digestion anaérobie, co-génération (phase lourde) - Recyclage solvant (phase légère) et obtention d une huile - Upgrading (hydrotraitement, )

16 Dans les scenarios optimistes, certains aspects importants ne sont pas toujours pris pleinement en considération: - Productivité en biomasse algale sur-évaluée dans beaucoup de communications : limitations par le CO 2, la pénétration de la lumière, la combinaison défavorable de température et de lumière, Efficacité d utilisation théorique de l énergie lumineuse: 10 % (400 T.ha -1.an -1 ) En réalité: 1 à 3 % dans beaucoup de cas ( T.ha -1.an -1 ), même sans limitation par le CO 2. - Opposition fréquente entre croissance (division cellulaire) et accumulation de lipides (substances de réserve de C) - Estimations parfois biaisées des lipides exploitables (acides gras versus lipides totaux) - Durabilité des systèmes de culture - Maintenance, en particulier dans le cas de photobioréacteurs - Transposition à large échelle, problématique pour les photobioréacteurs Le bilan énergétique (Energy Return On Investment) EROI = Eoutput/Einput = 0,5 Objectif: EROI = 3 (15 T huile.ha-1.an-1, incorporation d éléments photovoltaiques?)

17 Faisabilité économique Plusieurs études de faisabilité et d analyse des coûts, gouvernementales (USA), académiques et privées Basées sur les technologies existantes, raceway ou PBR, et sur les caractéristiques établies ou projetées de productivité en biomasse et de contenu en lipides des microalgues Généralement, utilisation du résidu de biomasse en digestion anaérobie (méthanisation) et valorisation du digestat comme amendement agricole ( faible valorisation du résidu d extraction des lipides) Conclusions majeures: - Coûts en capital > coûts de production - Peu d économies d échelle - Coût global plus élevé en PBR (± 2,5 X) qu en raceway - Forte sensibilité vis-à-vis de la productivité en biomasse et du taux de lipides des microalgues - Bon accord entre différentes études sur raceway : 2,8 à 3,6 $ / L (Seambiotics, New Mexico State University, National Renewable Energy Laboratory, Sandia National Laboratories) - Plus de variabilité concernant les PBR (moyenne autour de 7 $ /L) Conséquences et directions de R&D: - La production de biocarburant algal comme seul produit de la biomasse algale est techniquement possible mais pas économiquement viable - Besoins en R&D sur différents aspects du processus, principalement: augmentation de la productivité en biomasse et de la teneur en lipides diminution du coût global par un facteur 2 prévisible, amélioration de l EROI - Valorisation de la biomasse résiduelle (> 50 %) dans des marchés d échelles appropriées (nourriture animale, bioplastics, )

18 L amélioration des souches de microalgues La microalgue idéale: - Efficacité photosynthétique élevée en forte lumière - Contenu élevé en lipides - Biomasse résiduelle exploitable - Sédimentation aisée - Large tolérance aux variations de ph - Tolérance aux températures élevées - Peu sujette aux contaminations - Faible autoinhibition de croissance à hautes concentrations - Faible respiration à l obscurité Merchant et al., Curr. Op. Biotech Deux axes principaux: - l amélioration de l efficacité photosynthétique - l augmentation du contenu en triglycérides

19 La limitation de la photosynthèse par l atténuation de la lumière et par la saturation lumineuse aux fortes lumières saturation Photosynthèse nette (µmol O2.ml - 1.h - 1 ) photoinhibition zone d'efficacité maximale Irradianc e (µmol photons.m - 2.s - 1 ) Rayonnement solaire Grobelaar J (2010) Photosynth. Res. 106:

20 Formighieri et al. (2012) J. Biotech. Augmenter la productivité par une meilleure utilisation des hautes intensités lumineuses La solution: modifier la structure des photosystèmes de manière à réduire leurs sections optiques Projet SUNBIOPATH (FP7) P P centre réactionnel mutation chlorophylles antennes La courbe de saturation est modifiée La photosynthèse intégrée est accrue

21 L augmentation du contenu en triglycérides A. Le repérage de souches sauvages ou mutants surproducteurs de lipides Exemples: - Ifremer Nantes (France): doublement du taux d acides gras chez une souche d Isochrysis - Liège (projet BEMA): souches de Chlorelles surproductrices de lipides Repérage des triglycérides par fluorescence (Chen CY et al., Biochem. Eng. J., 2013) B. Des microalgues transgéniques au métabolisme du carbone modifié Guarnieri MT et al. PLOS One, Connaissance des réseaux métaboliques - Annotation des gènes impliqués - Etude des variations d expression génétique dans des conditions qui favorisent la synthèse de lipides - Développement d outils de transformation génétique applicables aux espèces d intérêt

22 Le problème de la surface: cultiver des microalgues dans des installations flottantes? Projet Omega (NASA) Offshore Membrane Enclosure for Growing Algae, (Mountain View, California) ( $

23 L utilisation de CO 2 d origine industrielle 5% CO 2 Air Exigence en CO 2 : 1,8-2,0 T CO 2 /T algues Objectif de productivité: 50 g biomasse.m -2.j -1 Installation pilote: cultures de microalgues marine en raceway sur rejets de CO 2 industriel (Seambiotics) (IEC Power Station, Ashkelon, Israel) Projet BEMA (Région Wallonne, Belgique)

24 Merci pour votre attention! Fabrice Franck Maître de recherches FNRS Laboratoire de Bioénergétique, B22 Université de Liège