Alors que les États-Unis tentent de se diriger vers une économie énergétique propre et des émissions nettes de carbone nulles d'ici 2050, il semble que les biocarburants connaissent leur heure de gloire. Ces liquides provenant de sources renouvelables pourraient remplacer directement l'énergie des voitures ou des processus industriels gourmands en pétrole sans nécessairement nécessiter de modifier l'ensemble de l'infrastructure du réseau électrique.
En particulier, il semble que le gouvernement se concentre davantage sur la substance gluante verte qui pourrait satisfaire certains des besoins énergétiques des Américains :les algues.
Plus tôt en février, le Bureau des technologies bioénergétiques (BETO) du ministère de l'Énergie a annoncé un nouveau cycle de financement d'une valeur de 19 millions de dollars pour des projets susceptibles d'augmenter les capacités des systèmes d'algues en activité à capturer le dioxyde de carbone. Les objectifs sont doubles :réduire les émissions de gaz à effet de serre et cultiver des algues pour les biocarburants et autres bioproduits.
Cette annonce s'appuie sur le financement des années précédentes, y compris une série de subventions totalisant 8 millions de dollars débloquées à l'été 2021. Bien que ces chiffres soient pâles par rapport au budget total de 40,3 milliards de dollars du ministère de l'Énergie pour 2022, la bioénergie des algues semble susciter un intérêt croissant... il y a même un nouveau concours étudiant pour innover avec les organismes à base d'eau.
L'objectif ultime, explique Schonna Manning, professeure adjointe de recherche en biosciences moléculaires à l'Université du Texas à Austin, est de remplacer la dépendance aux combustibles fossiles par l'utilisation de la bioénergie. Manning est également directeur de la recherche et du développement de la collection de cultures d'algues de l'université, qui vend son stock à des entreprises d'aquaculture et de biotechnologie, ainsi qu'à des chercheurs individuels et à des propriétaires de petites entreprises. Mais comme elle le souligne, il existe plusieurs obstacles à différentes étapes de la production d'algues, de la culture à la récolte aux opérations en aval pour convertir les organismes en produits prêts à être commercialisés.
Techniquement, la plupart de l'énergie principale provient déjà des algues. Le pétrole brut qui donne son pouvoir à l'industrie des combustibles fossiles est le résultat d'anciens gisements d'algues. Après des millions d'années de chaleur et de pression, la vie marine comme les plantes et les eucaryotes s'est transformée en hydrocarbures qui composent le pétrole aujourd'hui. Mais l'ingénierie des algues pour produire du pétrole à la demande pourrait fournir une solution moins intensive en carbone aux besoins énergétiques. Les projets lauréats représentent toute une gamme d'approches, y compris l'utilisation d'algues provenant de la capture directe de l'air et de matières premières pour les animaux.
Au Arizona Center for Algae Technological Innovation de l'Arizona State University, de grands étangs ouverts sont utilisés pour cultiver des algues. La technologie des algues est utilisée pour créer des produits renouvelables tels que les biocarburants, les alternatives au plastique et les nutraceutiques, qui sont des produits alimentaires nutritifs qui peuvent également être utilisés comme médicaments, comme le thé vert et le ginseng.
L'un des principaux problèmes cités par Manning est que, même si ces étangs peuvent sembler denses comme de la soupe aux pois, les algues ne représentent qu'un pour cent du volume total du bassin. Le reste de la biomasse flottante est de l'eau. Cela présente l'un des principaux défis de la culture d'algues à grande échelle :pour produire une densité élevée, une grande quantité d'eau doit être retirée de l'équation (dont une grande partie est finalement réutilisée dans le système). D'après l'estimation de Manning, le processus de récolte et d'assèchement peut représenter 70 % des coûts d'investissement.
À la recherche d'une solution, les ingénieurs du Pacific Northwest National Laboratory se sont inspirés des processus terrestres et ont proposé une méthode de formation de carburant appelée liquéfaction hydrothermale. Au lieu d'extraire l'huile séparément, ils cuisent les algues, les protéines et tout, à des températures et des pressions incroyablement élevées pour imiter la formation du pétrole sous l'eau. Bien qu'elle n'ait été menée qu'à petite échelle jusqu'à présent, cela pourrait être une solution proposée pour éviter les coûts élevés de déshydratation.
Un autre projet récemment financé au Centre de technologie durable de l'Illinois vise à réduire les coûts de culture et de ressources en utilisant le dioxyde de carbone des gaz de combustion émis par une centrale électrique voisine, ainsi que des nutriments provenant des usines de traitement des eaux usées. Le système, qui sera situé dans la centrale électrique City Water, Light et Power à Springfield, dans l'Illinois, vise à cultiver des algues comme alternative à l'alimentation animale.
Selon Josh McCann, professeur adjoint en sciences animales à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign qui fait partie du projet Springfield, la protéine est l'une des macromolécules les plus chères dans les aliments pour animaux. Si les algues s'avèrent être compétitives en termes de coût avec les aliments plus établis, elles pourraient alors constituer un choix bon marché mais de haute qualité pour les éleveurs de bétail.
McCann note que puisque le bétail est l'un des consommateurs les moins difficiles, la question n'est pas de savoir si les animaux consommeront les algues. Il s'agit plutôt de savoir si les algues peuvent être produites à un coût suffisamment bas pour la nutrition qu'elles fournissent. McCann espère que l'approche unique de ce projet en pleine croissance compensera certaines de ces préoccupations. En créant une alternative riche en protéines, les algues peuvent être en mesure de remplacer le soja et d'autres ingrédients traditionnels qui nécessitent une quantité disproportionnée de terre et d'eau pour se développer. Les chercheurs attendent leurs premiers rendements ce printemps, après quoi McCann effectuera des analyses pour évaluer les niveaux de nutriments des algues et les fixer en conséquence pour les ventes agricoles.
Pendant ce temps, le coût reste un facteur encombrant pour les biocarburants à base d'algues également. Les estimations de prix varient en fonction du producteur et de l'échelle, mais jusqu'à présent, rien n'est assez proche pour rivaliser avec la moyenne nationale actuelle de 3,53 $ le gallon d'essence à la pompe. Un projet, le Consortium d'industrialisation des algues marines de l'Université Duke, tente de produire du biocarburant à base d'algues pour 5 $ le gallon à l'échelle commerciale.
Bien qu'il n'y ait pas de preuves concluantes pour prouver que les biocarburants à base d'algues émettent moins de gaz à effet de serre que les combustibles fossiles lorsqu'ils sont brûlés, leur produit net de dioxyde de carbone est inférieur à celui des carburants traditionnels. Un kilogramme d'algues consomme environ 1,8 kilogramme de dioxyde de carbone pour se développer; en comparaison, un arbre mature absorbe environ 22 kilogrammes de dioxyde de carbone par an. De plus, les organismes photosynthétisants n'ont pas besoin d'eau douce ou de terres arables pour se développer, ce qui réduit la demande de ressources naturelles de plus en plus rares.
Mais avant de pouvoir produire des biocarburants, les minuscules gouttelettes d'huile présentes dans les algues doivent être récoltées. Ces cellules mesurent environ 10 microns ou 0,001 millimètre de large, selon Manning.
«Nous allons après les détails ici. Nous visons de minuscules petites cellules, et nous visons les minuscules gouttelettes d'huile qui existent à l'intérieur de ces cellules », dit-elle. "Et nous avons donc une grande variabilité dans la production d'huiles dans les algues, allant de 15 % à 50 % d'huile [par organisme]."
Parfois, pour augmenter ces réserves de lipides, l'algue est soumise à un stress ou à une famine, ce qui entraîne une augmentation du rendement en huile. Les cultivateurs peuvent augmenter les niveaux en retenant les nutriments comme le soufre et l'azote ou en augmentant la température et la lumière. L'espèce particulière d'algues joue également un rôle.
Tout cela pour dire que la ou les grandes expériences continueront. Alors que les États-Unis bricolent avec des algues de qualité industrielle depuis des décennies, la récente poussée de BETO ajoute une nouvelle urgence au domaine. "La technologie des algues fournit non seulement un puits de carbone exceptionnel, mais un produit matériel polyvalent, qui offre des solutions aux défis de la durabilité, du carburant aux plastiques", a déclaré l'Office de l'efficacité énergétique et des énergies renouvelables dans un communiqué de presse sur le récent flux de subventions. Mais jusqu'à ce que les coûts baissent, ces idées resteront bloquées dans les laboratoires et les bassins de distribution, et rien de plus.
