Gabrielle Hennekinne Mathis Roda Nicolas MASSOT
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L’énergie, cause et remède à de nombreux problèmes économiques, géopolitiques et sociaux, constitue une variable, qui, dans le monde moderne, a toujours été centrale. En effet, elle a le pouvoir de conditionner le développement économique des civilisations. La quasi-totalité de ce que nous utilisons est fabriquée avec des machines. Du tracteur qui laboure les champs, aux porte-conteneurs vecteurs de la mondialisation, en passant par les centrales à charbon et les industries, notre monde est régi par les machines, consommatrices d’énergies. C’est ainsi qu’on observe une corrélation entre la production de pétrole et le PIB par habitant à l’échelle mondiale, avec un R² de 0.88.
Mais quel est le lien avec le réchauffement climatique ? Ça ne vous aura pas échappé, la production d’énergie est une source de pollution (plus ou moins importante selon la technologie). Et la nuance est bien là : il faut donc introduire la notion de mix énergétique, qui à l’échelle globale suit la distribution suivante ci-dessous (cliquez sur le bouton de droite pour voir la suite). Ainsi, on sépare les sources d’énergies en deux grandes catégories :
Ainsi, on voit sur la visualisation interactive qu’à elles seules les énergies à base de pétrole, de charbon et de gaz représentent 84,3% de la totalité de la consommation d’énergie. Les énergies bas-carbone représentent le reste : seulement 15.7%.
Les énergies ont un potentiel de pollution très variable selon leur origine : la production d’un kilowattheure d’électricité peut émettre 6g de CO2 s’il est produit par une centrale nucléaire (en France), et 1 058g de CO2 s’il est produit par une centrale à charbon.
La consommation de cette énergie est bien entendue répartie de manière hétérogène sur la surface du globe.
Après avoir fait un bref tour d’horizon de la question, et étant conscient du changement climatique en cours, il paraît évident que l’énergie doit être traitée sous l’angle de la protection de l’environnement. Ainsi, nous évoquerons ici deux pistes de réflexions, qui proposent le développement d’alternatives qui sera, pour la première, une source d’énergie à fort potentiel, facilement domesticable, industrialisable, et qui a un bilan carbone neutre. La seconde, permettra de réutiliser une énergie aujourd’hui gaspillée. Elle sera peu chère, et constitue un avantage pour chacun des acteurs.
Mais avant tout, n’oublions pas que les énergies fossiles proviennent des êtres vivants… tout comme les algues…
Les algues sont des êtres vivants hors du commun. Elles ne possèdent ni racines, ni feuilles, ni fleurs, ni vaisseaux, ni graines. Elles constituent une part importante de la biodiversité. De nombreuses estimations ont fait varier le nombre d’espèces d’algues de 30 000 à plus d’un million. Elles sont la base principale de la pyramide alimentaire des eaux douces, saumâtres ou marines. On en trouve également dans l’humus terrestre.
Leurs domaines d’application sont multiples, bien que peu connus du grand public. Comme nous allons le voir, elles peuvent être la réponse à certaines grandes problématiques d’aujourd’hui et de demain.
Les activités aquacoles et l’algo-technologies produisent aussi bien des aliments destinés à la consommation humaine ou animale, des compléments alimentaires, des produits pharmaceutiques, des cosmétiques, des matières bio-plastiques, des sources d’énergies renouvelables (algocarburant, biogaz), des nano-biotechnologies, ou encore, permettent la séquestration du CO2.
La production mondiale d’algues, elle, a explosé depuis 25 ans, passant de 3 millions de tonnes en 1992 à plus 31 millions de tonnes en 2022. Contrairement à tout autre type de culture, la culture de l’algue en milieu marin ne nécessite pas d’apport en eau supplémentaire. De plus, sa culture n’implique pas une artificialisation des terres émergées. Cela est important à l’heure où la ressource en eau et en foncier se font de plus en plus rare. Ainsi, sur la visualisation ci-dessous Tableau, vous voyez que globalement, la production mondiale tend à croître, même si elle est soumise :
En outre, comme vous pouvez le voir sur la visualisation ci-dessus, la France possède la première zone économique exclusive (ZEE) mondiale. Il y a ainsi un fort potentiel de développement de l’activité aquacole en général, et donc de l’algo-culture. Toutefois, la carte ci-dessous met en avant le fait qu’outre la grande taille de la ZEE, la France possède uniquement huit lieux de récolte d’algue référencés.
Les rendements de la production d’algues sont très élevés. À titre de comparaison, tandis qu’un hectare de blé produit aujourd’hui en moyenne 7.5 tonnes, la culture de Macrocystis Pyrifera, dit Kelp en français et varech en anglais, espèce d’algue mesurant jusqu’à 50 mètres de hauteur, pourrait sur la même surface produire jusqu’à 120 tonnes de matière sèche ! Cela s’explique par le fait que la culture des algues se fait en trois dimensions : ces algues peuvent mesurer jusqu’à 50 mètres de hauteur. Cela veut dire que « un hectare, c’est 30 hectares » !
Carte de la répartition des forêts de Kelp. Une littoralisation et un caractère incompatible aux zones chaudes.
Une fois cette mise au point faite, essayons de faire une liste non-exhaustive des secteurs pouvant capitaliser sur la production d’algues.
En France, une société d’algo-technologie exploite l’appétit des algues pour capter du CO2. Objectif : assainir l’air pollué des villes. Cette colonne aux allures de colonnes Morris a pour objectif de capter et de dissoudre le CO2 ambiant.
Les performances de captation du CO2 et de production d’oxygène sont fonction de la quantité de CO2 présentent dans l’air. Pour résumer, plus l’air est pollué, plus la colonne est efficace. Sur ce type d’installation, une colonne a un pouvoir de captation équivalent à une trentaine d’arbres.
Cette caractéristique de captation de CO2 est à mettre en perspective des différents accords internationaux sur le climat. En effet, ces derniers mettent en avant la neutralité carbone : autrement dit, émettre autant de CO2 que ce qu’on capte.
Face à la prolifération massive d’algues sur les côtes bretonnes, des entrepreneurs de Saint-Malo ont eu une idée : utiliser cette ressource naturelle apparemment quasi-illimitée et gratuite pour développer un substitut biodégradable au plastique traditionnel : du bio-plastique à base d’algues.
Après avoir été déshydratés, les algues brunes sont transformées en granules, réduites en poudre ultrafine, et enfin, thermoformée selon la forme désirée.
Aussi, Notpla, une start-up basée à Londres, a pour objectif de « faire disparaître l’emballage ». La technologie développée par Notpla utilise la partie gélatineuse extraite de plusieurs grandes algues pour concevoir, à partir d’une molécule spécifique, un emballage souple et comestible, qui contient le liquide.
« Les algues n’ont pas besoin de terre, d’eau douce ou de pesticides, seulement de soleil et d’eau salée ». Cette propriété intrinsèque est importante à l’heure où la ressource en eau potable et en foncier se fait de plus en plus rare.
L’élevage bovin est la source de 14.5% des émissions de méthane mondiales. Des études ont montré qu’en ajoutant un faible pourcentage d’algues à l’alimentation du bétail, les émissions de méthane pourraient être réduites de 90%, tout en améliorant la digestion et en renforçant le système immunitaire des animaux, ce qui réduit leurs besoins d’antibiotiques. Le tout sans dénaturer la qualité du lait et de la viande ainsi produite. « Cette méthode est déjà utilisée dans certains pays, comme l’Écosse et l’Islande » nous confirme Vincent Doumeizel, conseiller sur les océans à l’ONU.
De 2010 à 2019, la forêt amazonienne a rejeté plus de CO2 qu’elle n’en a absorbé. En effet, l’heure où les forêts primaires brûlent, il devient de plus en plus urgent de trouver d’autres « puits de carbone ».
Les forêts de kelp peuvent mesurer jusqu’à 50 mètres de haut, et peuvent pousser jusqu’à 50 cm par jours ! Comme nous allons le voir, ces caractéristiques font de ces espèces de véritables pièges à carbone, qui, grâce à l’action de la photosynthèse, absorbent tout au long de sa vie le CO2 dans sa biomasse. En fin de vie, qu’elle soit naturelle ou par prédation, elles vont tomber au fond de l’océan, en formant ce qu’on appelle de la neige marine. Cette matière issue de la décomposition de la biomasse a la particularité de toujours contenir le CO2 acquis lors de la photosynthèse, et il sera stocké dans les fonds marins pour des milliers/millions d’années : c’est littéralement une pompe à CO2 qui offre un service écosystémique non quantifiables. Sans lui, le taux de CO2 dans l’atmosphère serait 2 fois plus élevé.
Aussi, précisons que les forêts de kelp jouent également un rôle dans la lutte contre la pollution des océans, en nettoyant l’eau des nitrates et des phosphates.
Outre leurs capacités de stockage considérables, n’oublions pas que ces forêts subaquatiques constituent des endroits privilégiés pour le développement de tout types d’espèce, qu’elles soient animales ou végétales.
Dans cette partie, nous allons traiter de la question énergétique. Comme vu dans le préambule de cette partie, le secteur énergétique est un secteur pivot pour nos sociétés, et il nous semble évident qu’il faut traiter la question en mettant en perspective les enjeux climatiques.
Avant toute chose et comme dit précédemment, on estime qu’il existe entre 30 00 et 1 million d’espèces d’algue. Alors, parmi cette variété, il s’agit alors de choisir les algues ayant les meilleures propriétés. Parmi elles, ce sont les micro-algues et la famille d’algue de kelp qui ont un intérêt énergétique. La présentation de ce dernier a déjà été faite. En outre, les micro-algues sont des organismes photosynthétiques uni/pluricellulaire, qui vivent dans les biotopes exposés à la lumière. Mais alors, quelles sont leurs particularitées ?
Pour répondre à cette question, il faut savoir comment, d’un point de vue technique, la biomasse végétale, en tant que plante, produit de l’énergie dans le but de (sur)vivre ? La réponse est simple : c’est le mécanisme de photosynthèse. C’est ce processus bio-énergétique utilisé par tous les végétaux qui permet de transformer l’énergie lumineuse en biomasse. C’est le système de production d’énergie le plus écologique au monde.
Mais si toutes les plantes ont cette particularité, pourquoi s’intéresser particulièrement à ces espèces d’algues ? L’intérêt du kelp réside dans sa capacité à pousser :
L’intérêt des micro-algues réside dans les rendements énergétiques sans comparable, et en leurs capacités à être utilisés lors de processus industriels, notamment à l’aide de ce qu’on appelle les bio-réacteurs de bloom (amas gluant de micro-algues).
En effet, l’efficacité photosynthétique de ces algues est quatre fois plus élevée que celle d’une plante terrestre. Elles se développent 10 fois plus vite, pour convertir du CO2 en biomasse, ou autre matière exploitable.
Voici l’équation de la photosynthèse :
À partir de là, ce qui est intéressant est le fait que l’on sait extraire du méthane, du CH4 ; via un procédé de méthanisation de la biomasse. Et le méthane, ça ne vous aura pas échappé, c’est du gaz, qui a la particularité de pouvoir être directement injecté dans le réseau de gaz de ville standard.
Afin d’extraire les molécules de CH4, le digesteur prend en entrée le bloom, qui est inséré dans une enceinte fermée, privée d’oxygène, qui chauffe et qui brasse pendant plusieurs jours la matière organique afin d’obtenir en sortie deux produits :
Ce processus chimique est complexe, et peut être résumé en trois étapes :
Pour en savoir plus sur ce processus, cliquez ici, ici ou ici .
Après avoir vu comment on peut faire du gaz, voyons quelles possibilités offrent les algues en matière de bio-carburants.
Sur le large panel d’espèces d’algues, une vingtaine ont été identifiées pour leur teneur lipidique élevé, ce qui fait qu’elles sont une potentielle source d’énergie. Aussi, leur intérêt réside dans le fait qu’elles ont des rendements en huile supérieurs à ceux des plantes oléagineuses comme le colza ou le palmier à huile. En effet, elles contiennent plus de 50% de leur masse en lipide. Ce sont ces lipides qui peuvent être transformées en bio-carburant.
De plus, contrairement aux macro-algues, elles peuvent être cultivées de manière industrielle dans des bioréacteurs . Ces derniers font passer les microalgues à travers des longs tuyaux d’environ 10 cm de diamètre, ce qui leur permet d’exposer le bloom à la lumière du soleil, et donc de forcer la photosynthèse.
Mais comment fonctionne un bioréacteur ? Ces algues oléagineuses convoitent des plaisirs simples : du dioxyde de carbone, de la lumière et de l’eau. En retour, elles produisent de la biomasse qui, on le verra, peut être transformée en carburant.
Reste à comprendre comment on fait cette transformation ! Avant tout, il est important de mettre en perspective les avancées de la recherche et du marché actuelle. En effet, bien que le secteur soit porteur, les connaissances en alguo-énergie sont encore naissantes, et la première entreprise qui arrivera à trouver la bonne espèce ainsi que la bonne méthode d’exploitation, aura le monopole sur le marché de l’énergie algale. Ainsi, les entreprises gardent secret leurs méthodes de transformations, ce qui a rendu plus long nos recherches de ce processus. Nous allons donc décrire le procédé de manière générale, sans oublier qu’il existe différentes manières de transformer la biomasse algale en bio-carburant.
Une fois cette précision faite, revenons à notre process de fabrication. Comme dit précédemment, les bioréacteurs sont les machines qui permettent de faire pousser les algues. On y introduit une colonie de microalgues, qui vont se développer, jusqu’au moment où leur densité dépasse un certain seuil. Pour ce faire, il faut jouer sur différentes variables, afin de recréer l’environnement le plus optimal à leur croissance. On peut ainsi paramétrer la lumière, la chaleur, le niveau de PH, de CO2 , d’oxygène…
Pour récupérer les lipides, il faut mélanger le bloom avec un solvant. Cela va permettre de jouer sur la densité des lipides, ce qui va les faire tomber en bas du contenant par gravité, et une fois séparés, les autres constituant comme les sucres et les protéines, après décantation, seront jetés.
Une fois l’huile obtenue, il faut mélanger cette huile avec de l’alcool à 10%, et on y ajoute un catalyseur, une substance qui va accélérer la réaction chimique. On obtient donc de l’algo-carburant.
Le saviez-vous ?
L’entreprise américaine Hypergiant Industries, à élaboré un modèle d’intelligence artificielle, qui permet de jouer sur ses variables-là afin d’optimiser les conditions de vie des végétaux.
Le saviez-vous ?
Les algues se « nourrissent » de CO_2. Ainsi, le fait que leurs croissance soit en partie conditionnée par le taux de CO_2 offre la possibilité de récupérer le CO_2 émis par des industries (cimenterie…), et ainsi optimiser la production de biogaz.
La production en masse de biocarburants à partir de microalgues lipidiques fait face à des défis scientifiques, techniques et économiques, qui sont loin d’être résolus. Les coûts de production sont encore très élevés. Certains calculs théoriques de production à grande échelle permettraient, malgré les gains des effets de masses, de rabaisser le cout à 10€/L de carburant. De plus, les rendements restent faibles et l’optimisation de la culture des microalgues nécessitent une compréhension fine des mécanismes impliqués. De plus, il est nécessaire de trouver des solutions de valorisation des coproduits extraits de la production pour rendre la production de biocarburants à partir de ces microalgues lipidiques économiquement viable à grande échelle.
Ainsi, même si ces technologies sont prometteuses, elles ne sont, pour le moment, pas viables sur le plan économique. Toutefois, nous savons qu’à notre époque, les avancées technologiques ne cessent inexorablement de progresser. Alors, prenons un peu de recul sur l’évolution de ces avancées technologiques. Qui aurait pu prévoir, il y a ne serait-ce que 30 ans, le lancement de 42 000 satellites de la société StarLink ? Qui aurait pu prévoir il y a 20 ans la montée en puissance des IA ? GitHub Copilote, Chat-GPT (3/3.5/4/5), Dalle-e, voitures autonomes, moteur de recherches Google basée sur de l’IA, AlphaGo Zero, le doublement annuel du nombre de transistors dans les puces électroniques (Cf. loi de Moore)… Cette liste non exhaustive ne semble pas s’arrêter de croitre. Mais qui sait si un jour, on pourra rajouter à cette dernière les algo-technologies, les bio-gaz et bio-carburants.
Enfin, l’économiste américain John Kenneth Galbraith dit la chose suivante « Il y aura plus de changements dans les 50 prochaines années que dans les 2 000 dernières années ». Alors, laissons le temps et les avancées technologiques faire, et qui sait, demain nos moteurs seront peut être alimentés par des algues, sans jamais oublier que l’énergie la plus propre est celle qui n’est pas consommée.