MICRO-ALGUES ET BIOCARBURANTS DE TROISIÈME GÉNÉRATION
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- Jeannine Desroches
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1 MICRO-ALGUES ET BIOCARBURANTS DE TROISIÈME GÉNÉRATION (C) AIM Florian Delrue RENCONTRES CEA-INDUSTRIES 12 DECEMBRE 2012 CNRC Meeting October 2012 PAGE 1
2 CONTEXTE GÉNÉRAL : LES BIOCARBURANTS 1G ET 2G Biocarburants de première génération - Utilisation de l ensemble de la plante - En compétition avec l agriculture - Bilan énergétique et environnemental médiocres Biocarburants de deuxième génération - Utilisation des résidus ou cultures dédiées - Moins de compétition avec l agriculture mais toujours existante - Meilleurs bilans environnementaux et énergétiques Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012 PAGE 2
3 ALGUES (C) Ouest France (C) AP Photo (C) AFP (C) Wikimedia Commons (C) His Noodly Appendage Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012 PAGE 3
4 MACRO-ALGUES / MICRO-ALGUES Macro-algues (C) RTL (C) Wernberg et al., 2009 (C) Wikimedia Common Micro-algues (C) DP (C) LB3M (C) Ifremer Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012 PAGE 4
5 LES MICROALGUES : QUELQUES INFOS GÉNÉRALES Taille microscopique (1-10 µm) Organisme unicellulaire Habitat principalement aquatique (eau de mer, eau douce) (C) AIM Croissance rapide par division cellulaire : plusieurs divisions par jour en conditions favorables (C) CEA 50% de fixation du CO 2 A l origine de notre atmosphère Un des premiers maillons de la chaîne alimentaire à espèces dont environ décrites Efficacité photosynthétique allant jusqu à 9% (6% pour la canne à sucre) Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012 PAGE 5
6 LES MICROALGUES : UN INTÉRÊT ÉNERGÉTIQUE Peuvent contenir jusqu à 80% de lipides (plus généralement entre 20 et 50%) Production possible sur des terres non arables Production tout au long de l année Culture Production d huile (L/ha) Mais 172 Soja 446 Jatropha 1892 Huile de palme 5950 Microalgues 20,000 60,000 Pas besoin d herbicides ni de pesticides Adapté de Chisti et al., 2007 Séquestrent le CO 2 Possibilité de produire des co-produits à haute valeur (C) Trimatec ajoutée Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012 PAGE 6
7 CONTRAINTES DE LA FILIÈRE Milieu très humide (~1g/L, soit 99.9% d eau!) Demande en eau et en nutriments (N, P, K) Apport en CO 2 suffisant (2g de CO 2 par g d algues) Incertitudes sur : Coût énergétique Coût économique Passage à l échelle industrielle Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012 PAGE 7
8 CONTEXTE Un fort engouement depuis environ 5 ans : - Des centaines de start-ups principalement aux USA (>200) - Un nombre de publications en croissance exponentielle (idem brevets) - Beaucoup d effets d annonce - Des associations d entreprises (Exxon Craig Venter, Total Cellectis, Shell Cellana, Solazyme Roquette, Sofiprotéol Fermentalg, EADS ENN, ) Nombre de publications par an (C) Wikimedia Commons Source Science Direct Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012 PAGE 8
9 UTILISATION ET PRODUCTION ACTUELLE Algue Production annuelle (tonnes) Pays producteur Spirulina 3000 Chine, Inde, Etats-Unis, Myanmar, Japon Chlorella 2000 Taiwan, Allemagne, Japon Dunaliella 1200 Australie, Israël, Etats-Unis, Chine Applications et Produits Nutrition animale et humaine, phycobiliproteines, Cosmétiques Nutrition humaine, aquaculture, cosmétiques Nutrition humaine, cosmétiques, β-carotène Aphanizomenon 500 Etats-Unis Nutrition humaine Haematococcus 300 Etats-Unis, Inde, Israël Aquaculture, Astaxanthine Crypthecodinium 240 Etats-Unis Oméga 3 (DHA) Schizochytrium 10 Etats-Unis Oméga 3 (DHA) Adapté de Milledge, 2011 Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012 PAGE 9
10 LIGNE DE PRODUCTION CO 2 Lumière Culture des microalgues Récolte / Séchage Procédé de conversion Nutriments (N, P, ) Eau Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012 PAGE 10
11 CULTURE DE MICROALGUES Deux types de cultures : Systèmes ouverts (extensifs) : lagunes classiques et à «haut rendement» (ou raceway) (C) AIM (C) Sapphire Energy (C) Wikimedia Commons (C) Aurora Algae (C) Texas A&M Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012 PAGE 11
12 CULTURE DE MICROALGUES Systèmes fermés (intensifs) : photobioréacteur (C) Arizona State University (C) Sapphire Energy (C) Solix (C) AIM (C) AIM (C) Cal Poly Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012 PAGE 12
13 LA RÉCOLTE ET LE SÉCHAGE DES MICROALGUES Coagulation-Floculation / Sédimentation La récolte (C) AIM Coagulation-Floculation / Flottation (C) CNIDEP (C) Juneng Centrifugation (C) Princeton Filtration (C) Aquadirect (C) CG72 Séchage solaire (C) TradeIn Fr Séchage thermique Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012 PAGE 13
14 LE POTENTIEL DES MICROALGUES Cosmétique Chimie verte Alimentation animale (aquaculture, bétail) Pharmacie Chimie fine Alimentation humaine (nutraceutique) Micro-algues Biodiesel Biogaz Bioéthanol Biokérosène Biohydrogène Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012 PAGE 14
15 LA FILIÈRE DE RÉFÉRENCE POUR LES BIOCARBURANTS 3G Production de biocarburant à partir des lipides contenus dans les micro-algues Deux étapes indispensables : - L extraction des lipides contenus dans les microalgues - La conversion de ces lipides en biocarburant * Biodiesel * Biokérosène Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012 PAGE 15
16 LA FILIÈRE DE RÉFÉRENCE POUR LES BIOCARBURANTS 3G Extraction des lipides Extraction au solvant Champs électromagnétiques Micro-ondes (C) Making Algae Biodiesel Liquides ioniques (C) Motasemi et Ani, 2012 Ultrasons Actions mécaniques (C) BASF (C) Balasundaram, et al Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012 PAGE 16
17 LA FILIÈRE DE RÉFÉRENCE POUR LES BIOCARBURANTS 3G L étape de conversion en biocarburant Transestérification Hydro-traitement (C) Sundyne (C) Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012 PAGE 17
18 LA FILIÈRE DE RÉFÉRENCE POUR LES BIOCARBURANTS 3G Liquéfaction hydrothermale Transformation directe de la biomasse humide en huile (T = C, P = bars) (C) CEA Grenoble (C) Université d Illinois Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012 PAGE 18
19 PRINCIPAUX RÉSULTATS DE L ÉTUDE TECHNICO-ÉCONOMIQUE RÉALISÉE PAR LE CEA Bon bilan énergétique : meilleurs que les biocarburants 2G Couts de production élevés x2 par rapport au diesel de pétrole avec un baril à 100$ MAIS si baril à 150$ (horizon 2030) + amélioration technologiques : biodiesel 3G compétitif Bons résultats environnementaux : plus faibles émissions de gaz à effet de serre (/2 par rapport aux biocarburants 2G, /4 par rapport au diesel de pétrole) Moins d eau que pour les cultures terrestres Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012 PAGE 19
20 PRINCIPAUX RÉSULTATS DE L ÉTUDE TECHNICO-ÉCONOMIQUE RÉALISÉE PAR LE CEA Nécessité de réduire les coûts de l étape de culture : > 50% du cout de production si photobioréacteur > 30% si système ouvert Utiliser des déchets organiques comme source de nutriments (eaux usées par exemple) et des sources industrielles de CO 2 Diminuer la consommation énergétique, surtout sur les postes de récolte et de séchage de la biomasse (responsable d environ 50% de la dépense énergétique) Principal paramètre : productivité en lipides Importance de la localisation pour les émissions de GES (+70% si aux Etats-Unis, +40% si mix énergétique européen par rapport à la France) Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012 PAGE 20
21 LE PROJET BIOMASSE 3G DANS LE CADRE DE LA CITÉ DES ÉNERGIES Bâtiment méditerrannéen Bâtiment de préconfiguration BâtimentN 1 : Plateformede préconfiguration 1000m 2 Halle d éssai de 150 m 2 Plateforme extérieure abritée pour la culture de 150 m 2 Espacedisponiblepour de la culture en serre Bâtimentn 2 : Plateforme préindustrielle Plateforme de production pré-industrielle Aujourd hui 30 personnes (25 biologie + 5 procédé) Objectif pour personnes en biologie 30 personnes en procédés Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012 PAGE 21
22 POSITIONNEMENT DU CEA 12 centres leaders (>10 chercheurs) et au total 350 chercheurs travaillent en R&D dans le domaine de la biomasse 3G. La France, bien placée, possède le plus grand nombre de centres degrandetaille.leceaestpositionné3 ème eneffectifs. Pays leaders France Espagne Allemagne Angleterre Total Europe Effectifs estimés Nombre centres majeurs Légende >10 chercheurs entre 5 et 10 chercheurs < 5 chercheurs On entend par chercheurs les personnels de recherche permanents et non permanent dont post-doc et thésard C B A 44 Avec 40 personnes et une plateforme de L de culture, le CEA se hisserait au niveau des leaders mondiaux
23 POSITIONNEMENT DU CEA Les marchés de petits volumes et à haute valeur ajoutée sont des étapes. Le marché des biocarburants constitue un «cap» long terme.
24 POSITIONNEMENT DU CEA Maturité de la technologie Biocarburants Nutrition animale Premiers marchés adressés : Cosmétologie Pharmacologie Nutraceutique Chimie fine et chimie verte (huiles spéciales, biomatériaux, ) Coût de production Temps
25 LES ATOUTS DU PROJET DE LA CITÉ DES ÉNERGIES ibeb (LB3M) : Un laboratoire sur la biologie des microalgues de renommée internationale LITEN (LTB) : Des compétences en génie des procédés éprouvées (sur les biocarburants 2G notamment) LITEN : Des compétences en techniques de captation solaire, essentielles pour la compréhension des phénomènes mis en jeu LITEN : Des compétences en matériaux avancés à bas coût Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012 PAGE 25
26 LES ATOUTS DU PROJET DE LA CITÉ DES ÉNERGIES Un projet en lien fort avec les industriels 10aine d industriels en France sur le domaine (PME) : principalement sur la culture des micro-algues Présence des «end-users», utilisateurs, de molécules extraites des microalgues : cosmétologie, pharmacologie, nutraceutique, chimie fine et verte Présence d entreprises expertes sur les technologies envisagées pour chaque étape du procédé (récolte, extraction, conversion) Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012 PAGE 26
27 CONCLUSIONS Potentiel important de la biomasse 3G : énergie, cosmétique, nutraceutique, pharmacologie, chimie fine Besoins en R&D à tous les niveaux : souches, culture, récolte, extraction, conversion Domaine qui se développe fortement à l étranger : Etats- Unis, Australie mais aussi Inde, Israël, Pays-Bas, Espagne Opportunités nombreuses en France : présence des technologues et des utilisateurs Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012 PAGE 27
28 MERCI DE VOTRE ATTENTION
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