Carburant d’algues

Le carburant à base d’algues, le biocarburant à base d’algues ou l’huile d’algues constituent une alternative aux combustibles fossiles liquides qui utilisent les algues comme source d’huiles riches en énergie. En outre, les carburants à base d’algues constituent une alternative aux sources de biocarburants connues, telles que le maïs et la canne à sucre. Plusieurs entreprises et agences gouvernementales financent des efforts pour réduire les coûts d’investissement et d’exploitation et rendre la production de carburant à base d’algues viable sur le plan commercial. Comme les combustibles fossiles, les combustibles d’algues émettent du CO2 lorsqu’ils sont brûlés, mais contrairement aux combustibles fossiles, les combustibles d’algues et autres biocarburants ne rejettent que le CO2 récemment éliminé de l’atmosphère via la photosynthèse lors de la croissance des algues ou des plantes. La crise de l’énergie et la crise alimentaire mondiale ont suscité l’intérêt pour l’algaculture (algues d’élevage) qui rend le biodiesel et d’autres biocarburants utilisant des terres impropres à l’agriculture. Parmi les caractéristiques attrayantes des carburants à base d’algues, on peut citer la possibilité de les cultiver avec un impact minimal sur les ressources en eau douce, de produire du salin et des eaux usées, d’avoir un point d’éclair élevé, d’être biodégradables et relativement inoffensifs pour l’environnement en cas de déversement. Les algues coûtent plus cher par unité de masse que les autres cultures de biocarburants de deuxième génération en raison de leurs coûts d’investissement et de fonctionnement élevés, mais elles produiraient entre 10 et 100 fois plus de carburant par unité de surface. Le Département de l’énergie des États-Unis estime que, si le carburant à base d’algues remplaçait l’ensemble du pétrole aux États-Unis, il faudrait 39 000 km2, ce qui ne représente que 0,42% de la carte des États-Unis, soit environ la moitié de la superficie Maine. Cela représente moins de 1/7 de la superficie de maïs récoltée aux États-Unis en 2000.

Le responsable de l’Algal Biomass Organization a déclaré en 2010 que le carburant à base d’algues pourrait atteindre la parité de prix avec le pétrole en 2018 si un crédit d’impôt sur la production était accordé. Cependant, en 2013, le président-directeur général d’Exxon Mobil, Rex Tillerson, a déclaré qu’après s’être engagé à dépenser jusqu’à 600 millions de dollars sur 10 ans pour le développement d’une coentreprise avec Synthetic Genomics de J. Craig Venter en 2009, Exxon s’est retiré après quatre ans (et millions d’euros) quand il s’est rendu compte que le combustible des algues n’est « probablement plus » à 25 ans de la viabilité commerciale. D’autre part, Solazyme, Sapphire Energy et Algenol, entre autres, ont commencé la vente commerciale de biocarburant à base d’algues en 2012, 2013 et 2015, respectivement. En 2017, la plupart des efforts avaient été abandonnés ou modifiés pour d’autres applications, il ne restait que quelques-uns.

L’histoire
En 1942, Harder et Von Witsch furent les premiers à proposer que les microalgues soient cultivées en tant que source de lipides pour l’alimentation ou le carburant. Après la Seconde Guerre mondiale, des recherches ont été engagées aux États-Unis, en Allemagne, au Japon, en Angleterre et en Israël sur les techniques de culture et les systèmes d’ingénierie permettant de cultiver des microalgues à plus grande échelle, en particulier des espèces du genre Chlorella. Pendant ce temps, HG Aach a montré que Chlorella pyrenoidosa pouvait être induite par l’absence d’azote pour accumuler jusqu’à 70% de son poids sec en lipides. Comme le besoin de carburant de transport alternatif avait cessé après la Seconde Guerre mondiale, les recherches à cette époque étaient axées sur la culture des algues comme source de nourriture ou, dans certains cas, pour le traitement des eaux usées.

L’intérêt suscité par l’utilisation d’algues pour les biocarburants a été ravivé par l’embargo pétrolier et la flambée des prix du pétrole dans les années 1970, poussant le Department of Energy des États-Unis à lancer le programme relatif aux espèces aquatiques en 1978. Le programme relatif aux espèces aquatiques a dépensé 25 millions de dollars sur 18 ans. de développer un carburant de transport liquide à partir d’algues qui serait compétitif par rapport aux carburants dérivés du pétrole. Le programme de recherche était axé sur la culture de microalgues dans des bassins extérieurs ouverts, systèmes peu coûteux, mais vulnérables aux perturbations de l’environnement, telles que les variations de température et les invasions biologiques. 3 000 souches d’algues ont été collectées dans tout le pays et analysées pour en déterminer les propriétés souhaitables telles que la productivité élevée, le contenu lipidique et la tolérance thermique. Les souches les plus prometteuses ont été incluses dans la collection de microalgues du SEFRI du Solar Energy Research Institute (SERI) à Golden, Colorado et utilisé pour des recherches plus poussées. Parmi les découvertes les plus significatives du programme, citons le fait que la croissance rapide et la production élevée de lipides étaient « mutuellement exclusives », dans la mesure où le premier nécessitait une teneur élevée en nutriments et que le dernier exigeait une teneur réduite en nutriments. Le rapport final suggérait que le génie génétique pourrait être nécessaire pour surmonter cette limite et d’autres limitations naturelles des souches d’algues, et que l’espèce idéale pourrait varier avec le lieu et la saison. Bien qu’il ait été démontré avec succès qu’il était possible de produire à grande échelle des algues pour alimenter des étangs extérieurs, le programme n’a pas abouti à un coût concurrentiel par rapport au pétrole, en particulier lorsque le prix du pétrole a chuté dans les années 90. Même dans le meilleur des cas, on estimait que le pétrole d’algue non extrait coûterait entre 59 et 186 dollars le baril, alors que le pétrole coûtait moins de 20 dollars le baril en 1995. Par conséquent, sous la pression budgétaire de 1996, le Programme des espèces aquatiques a été abandonné.

D’autres contributions à la recherche sur les biocarburants dans les algues proviennent indirectement de projets axés sur différentes applications des cultures d’algues. Par exemple, dans les années 1990, l’Institut de recherche sur les technologies innovantes pour la Terre (RITE) du Japon a mis en œuvre un programme de recherche dans le but de développer des systèmes de fixation du CO2 à l’aide de microalgues. Bien que l’objectif ne soit pas la production d’énergie, plusieurs études produites par RITE ont démontré que les algues pouvaient être cultivées en utilisant le gaz de combustion provenant de centrales électriques comme source de CO2, un développement important pour la recherche sur les biocarburants à base d’algues. D’autres travaux axés sur la récupération de l’hydrogène gazeux, du méthane ou de l’éthanol à partir d’algues, ainsi que de suppléments nutritionnels et de composés pharmaceutiques, ont également contribué à éclairer la recherche sur la production de biocarburants à partir d’algues.

À la suite de la dissolution du programme sur les espèces aquatiques en 1996, la recherche sur les biocarburants d’algues a connu un ralentissement relatif. Néanmoins, divers projets ont été financés aux États-Unis par le ministère de l’Énergie, le ministère de la Défense, la National Science Foundation, le ministère de l’Agriculture, les laboratoires nationaux, des financements publics et privés, ainsi que dans d’autres pays. Plus récemment, la hausse des prix du pétrole dans les années 2000 a suscité un regain d’intérêt pour les biocarburants à base d’algues. Les financements fédéraux américains ont augmenté, de nombreux projets de recherche sont financés en Australie, en Nouvelle-Zélande, en Europe, au Moyen-Orient et dans le monde. une vague de sociétés privées est entrée sur le terrain (voir Sociétés). En novembre 2012, Solazyme et Propel Fuels ont réalisé les premières ventes au détail de carburants dérivés d’algues. En mars 2013, Sapphire Energy a commencé à vendre des biocarburants à base d’algues à Tesoro.

Complément alimentaire
L’huile d’algues est utilisée comme source de supplémentation en acides gras dans les produits alimentaires, car elle contient des acides gras mono- et polyinsaturés, en particulier de l’EPA et du DHA. Sa teneur en DHA est à peu près équivalente à celle de l’huile de poisson à base de saumon.

Carburants
Les algues peuvent être converties en différents types de combustibles, en fonction de la technique et de la partie des cellules utilisées. Les lipides ou la partie huileuse de la biomasse d’algues peuvent être extraits et convertis en biodiesel par un processus similaire à celui utilisé pour toute autre huile végétale, ou convertis dans une raffinerie en produits de remplacement «sans rendez-vous» pour les carburants à base de pétrole. Alternativement ou après l’extraction des lipides, la teneur en glucides des algues peut être fermentée en bioéthanol ou en carburant butanol.

Biodiesel
Le biodiesel est un carburant diesel dérivé de lipides animaux ou végétaux (huiles et graisses). Des études ont montré que certaines espèces d’algues peuvent produire 60% ou plus de leur poids sec sous forme d’huile. Comme les cellules se développent en suspension aqueuse, où elles ont un accès plus efficace à l’eau, au CO2 et aux nutriments dissous, les microalgues sont capables de produire de grandes quantités de biomasse et d’huile utilisable dans des étangs à algues ou des photobioréacteurs. Cette huile peut ensuite être transformée en biodiesel qui pourrait être vendu pour être utilisé dans les automobiles. La production régionale de microalgues et la transformation en biocarburants apporteront des avantages économiques aux communautés rurales.

Comme elles ne doivent pas produire de composés structurels tels que la cellulose pour leurs feuilles, leurs tiges ou leurs racines, et parce qu’elles peuvent être cultivées en suspension dans un milieu nutritif riche, les microalgues peuvent avoir des taux de croissance plus rapides que les cultures terrestres. En outre, ils peuvent convertir une fraction beaucoup plus élevée de leur biomasse en huile que les cultures conventionnelles, par exemple 60% contre 2-3% pour le soja. Le rendement par unité d’huile d’algues est estimé entre 58 700 et 136 900 L / ha / an, en fonction de la teneur en lipides, qui est 10 à 23 fois plus élevée que celle de la deuxième culture à plus haut rendement, le palmier à huile, / ha / an.

Le programme sur les espèces aquatiques du ministère de l’Énergie des États-Unis, 1978–1996, était axé sur le biodiesel issu de microalgues. Le rapport final suggérait que le biodiesel pourrait être la seule méthode viable permettant de produire suffisamment de carburant pour remplacer l’utilisation actuelle du diesel dans le monde. Si le biodiesel dérivé d’algues devait remplacer la production mondiale annuelle de 1,1 milliard de tonnes de diesel classique, il faudrait disposer d’une superficie de 57,3 millions d’hectares, ce qui serait très favorable par rapport aux autres biocarburants.

Biobutanol
Le butanol peut être fabriqué à partir d’algues ou de diatomées en utilisant uniquement une bioraffinerie à énergie solaire. Ce carburant a une densité énergétique inférieure de 10% à celle de l’essence et supérieure à celle de l’éthanol ou du méthanol. Dans la plupart des moteurs à essence, le butanol peut être utilisé à la place de l’essence sans aucune modification. Dans plusieurs essais, la consommation de butanol est similaire à celle de l’essence et, mélangée à de l’essence, elle offre de meilleures performances et une meilleure résistance à la corrosion que celles de l’éthanol ou de l’E85.

Les déchets verts issus de l’extraction d’huile d’algue peuvent être utilisés pour produire du butanol. En outre, il a été prouvé que les bactéries du genre Clostridia peuvent être fermentées par le biais de bactéries du genre algues (algues) en butanol et autres solvants.

Biogaz
La biogaz est une essence produite à partir de biomasse. Comme l’essence produite traditionnellement, elle contient entre 6 (hexane) et 12 (dodécane) atomes de carbone par molécule et peut être utilisée dans les moteurs à combustion interne.

Méthane
Le méthane, constituant principal du gaz naturel, peut être produit à partir d’algues par diverses méthodes, à savoir la gazéification, la pyrolyse et la digestion anaérobie. Dans les méthodes de gazéification et de pyrolyse, le méthane est extrait sous haute température et pression. La digestion anaérobie est une méthode simple impliquée dans la décomposition des algues en composants simples, puis transformée en acides gras à l’aide de microbes tels que des bactéries acidogènes, puis en éliminant les particules solides et en ajoutant des bactéries méthanogènes pour libérer un mélange gazeux contenant du méthane. Un certain nombre d’études ont montré avec succès que la biomasse de microalgues peut être convertie en biogaz par digestion anaérobie. Par conséquent, afin d’améliorer le bilan énergétique global des activités de culture de microalgues, il a été proposé de récupérer l’énergie contenue dans la biomasse résiduelle par digestion anaérobie en méthane afin de générer de l’électricité.

Éthanol
Le système Algenol commercialisé par BioFields à Puerto Libertad, dans l’État de Sonora, au Mexique, utilise de l’eau de mer et des gaz d’échappement industriels pour produire de l’éthanol. Porphyridium cruentum s’est également révélé potentiellement approprié pour la production d’éthanol en raison de sa capacité à accumuler une grande quantité de glucides.

Diesel vert
Les algues peuvent être utilisées pour produire du «diesel vert» (également appelé diesel renouvelable, huile végétale d’hydrotraitement ou diesel renouvelable dérivé de l’hydrogène) grâce à un processus de raffinage par hydrotraitement qui décompose les molécules en chaînes d’hydrocarbures plus courtes utilisées dans les moteurs diesel. Il a les mêmes propriétés chimiques que le diesel à base de pétrole, ce qui signifie qu’il n’a pas besoin de nouveaux moteurs, pipelines ou infrastructures pour être distribués et utilisés. Il n’a pas encore été produit à un coût compétitif par rapport au pétrole. Bien que l’hydrotraitement soit actuellement la voie la plus utilisée pour la production d’hydrocarbures de type carburant par décarboxylation / décarbonylation, il existe un autre procédé offrant plusieurs avantages importants par rapport à l’hydrotraitement. À cet égard, les travaux de Crocker et al. et Lercher et al. est particulièrement remarquable. Pour le raffinage du pétrole, des recherches sont en cours sur la conversion catalytique de carburants renouvelables par décarboxylation. Comme l’oxygène est présent dans le pétrole brut à des niveaux assez bas, de l’ordre de 0,5%, la désoxygénation dans le raffinage du pétrole n’est pas très préoccupante et aucun catalyseur n’est spécifiquement formulé pour l’hydrotraitement des composés oxygénés. Par conséquent, l’un des défis techniques critiques pour rendre le procédé d’hydrodésoxygénation à l’huile d’algues rentable est lié à la recherche et au développement de catalyseurs efficaces.

Carburéacteur
Des essais d’utilisation d’algues comme biocarburant ont été réalisés par Lufthansa et Virgin Airlines dès 2008, bien que rien n’indique que l’utilisation d’algues constitue une source raisonnable de biocarburants à réaction. En 2015, la culture d’esters méthyliques d’acides gras et d’alcénones provenant de l’algue Isochrysis faisait l’objet de recherches comme matière première pour le biocarburant de jet.

En 2017, la production de carburéacteur à base d’algues était peu avancée, et l’on prévoyait que 3 à 5% seulement des besoins en combustibles seraient fournis à partir d’algues d’ici 2050. De plus, les sociétés d’algues créées au début du 21ème siècle comme base de une industrie des biocarburants à base d’algues a fermé ou modifié son développement commercial pour se tourner vers d’autres produits de base, tels que les cosmétiques, les aliments pour animaux ou les produits pétroliers spéciaux.

Espèce
La recherche sur les algues destinées à la production en masse d’huiles porte principalement sur les microalgues (organismes capables de photosynthèse de moins de 0,4 mm de diamètre, y compris les diatomées et les cyanobactéries), par opposition aux macroalgues telles que les algues. La préférence pour les microalgues est due en grande partie à leur structure moins complexe, à leurs taux de croissance rapides et à leur teneur élevée en huile (pour certaines espèces). Cependant, des recherches sont en cours sur l’utilisation d’algues dans les biocarburants, probablement en raison de la grande disponibilité de cette ressource.

Depuis 2012, des chercheurs de divers endroits du monde ont commencé à étudier les espèces suivantes afin de déterminer leur pertinence en tant que producteurs de masse de pétrole:

Botryococcus braunii
Chlorella
Dunaliella tertiolecta
Gracilaria
Pleurochrysis carterae (également appelé CCMP647).
Sargasse, avec 10 fois le volume de sortie de Gracilaria.

La quantité d’huile produite par chaque souche d’algues varie énormément. Notez les microalgues suivantes et leurs différents rendements en huile:

Ankistrodesmus TR-87: 28–40% de poids sec
Botryococcus braunii: 29–75% de poids sec
Chlorella sp .: 29% ps
Chlorella protothecoides (autotrophe / hétérotrophe): 15–55% ps
Crypthecodinium cohnii: 20% ps
Cyclotella DI- 35: 42% ps
Dunaliella tertiolecta: 36–42% de poids sec
Hantzschia DI-160: 66% ps
Nannochloris: 31 (6–63)% de poids sec
Nannochloropsis: 46 (31–68)% de poids sec
Nannochloropsis et biocarburants
Neochloris oleoabundans: 35–54% de poids sec
Nitzschia TR-114: 28–50% de poids sec
Phaeodactylum Tricornutum: 31% poids mort
Scenedesmus TR-84: 45% ps
Schizochytrium 50–77% ps
Stichocoque: 33 (9–59)% de poids sec
Tetraselmis suecica: 15–32% de poids sec
Thalassiosira pseudonana: (21–31)% de poids sec

De plus, en raison de son taux de croissance élevé, Ulva a été étudié en tant que combustible destiné au cycle SOFT (SOFT signifie «Solar Oxygen Fuel Turbine»), un système de production d’énergie à cycle fermé adapté à une utilisation dans les zones arides et subtropicales. les régions.

Parmi les autres espèces utilisées figurent Clostridium saccharoperbutylacetonicum, Sargassum, Gracilaria, Prymnesium parvum et Euglena gracilis.

Nutriments et intrants de croissance
La lumière est ce dont les algues ont principalement besoin pour se développer car c’est le facteur le plus limitant. De nombreuses entreprises investissent dans le développement de systèmes et de technologies pour fournir de la lumière artificielle. OriginOil, l’un d’eux, a mis au point un Helix BioReactorTM doté d’un arbre vertical rotatif avec des lumières à faible consommation d’énergie disposées en hélice. La température de l’eau influe également sur les taux de reproduction et métabolique des algues. Bien que la plupart des algues se développent à un taux faible lorsque la température de l’eau baisse, la biomasse des communautés d’algues peut devenir importante en raison de l’absence d’organismes de pâturage. Les augmentations modestes de la vitesse du courant d’eau peuvent également affecter les taux de croissance des algues puisque le taux d’absorption des nutriments et la diffusion de la couche limite augmentent avec la vitesse du courant.

Outre la lumière et l’eau, le phosphore, l’azote et certains micronutriments sont également utiles et essentiels pour la croissance des algues. L’azote et le phosphore sont les deux nutriments les plus importants nécessaires à la productivité des algues, mais d’autres nutriments tels que le carbone et la silice sont également nécessaires. Parmi les nutriments nécessaires, le phosphore est l’un des plus essentiels, car il est utilisé dans de nombreux processus métaboliques. La microalgue D. tertiolecta a été analysée pour déterminer quel nutriment influe le plus sur sa croissance. Les concentrations de phosphore (P), de fer (Fe), de cobalt (Co), de zinc (Zn), de manganèse (Mn) et de molybdène (Mo), de magnésium (Mg), de calcium (Ca), de silicium (Si) et de soufre ( S) les concentrations ont été mesurées quotidiennement à l’aide d’une analyse par plasma à couplage inductif (ICP). Parmi tous ces éléments mesurés, le phosphore a entraîné la diminution la plus spectaculaire, avec une réduction de 84% au cours de la culture. Ce résultat indique que tous les organismes ont besoin de phosphore, sous forme de phosphate, pour le métabolisme.

Deux milieux d’enrichissement ont été largement utilisés pour cultiver la plupart des espèces d’algues: le milieu Walne et le milieu F / 2 de Guillard. Ces solutions nutritives disponibles dans le commerce peuvent réduire le temps nécessaire à la préparation de tous les nutriments nécessaires à la croissance des algues. Cependant, en raison de leur complexité dans le processus de génération et de leur coût élevé, ils ne sont pas utilisés pour des opérations de culture à grande échelle. Par conséquent, les milieux d’enrichissement utilisés pour la production en masse d’algues ne contiennent que les éléments nutritifs les plus importants avec des engrais de qualité agricole plutôt que des engrais de qualité laboratoire.

Cultivation
Les algues se développent beaucoup plus rapidement que les cultures vivrières et peuvent produire des centaines de fois plus d’huile par unité de surface que les cultures conventionnelles telles que le colza, les palmiers, le soja ou le jatropha. Comme les algues ont un cycle de récolte de 1 à 10 jours, leur culture permet plusieurs récoltes dans un laps de temps très court, une stratégie différente de celle associée aux cultures annuelles. De plus, les algues peuvent être cultivées sur des terres inadaptées aux cultures terrestres, y compris les terres arides et les terres présentant un sol excessivement salin, minimisant ainsi la concurrence avec l’agriculture. La plupart des recherches sur la culture d’algues ont porté sur la culture d’algues dans des photobioréacteurs propres mais coûteux, ou dans des étangs ouverts, peu coûteux à entretenir mais sujets à la contamination.

Système en boucle fermée
Le manque d’équipements et de structures nécessaires pour commencer à cultiver des algues en grande quantité a empêché la production généralisée d’algues pour la production de biocarburants. L’objectif est d’utiliser au maximum les processus et le matériel agricoles existants.

Les systèmes fermés (non exposés à l’air libre) évitent le problème de contamination par d’autres organismes aspirés par l’air. Le problème pour un système fermé est de trouver une source peu coûteuse de CO2 stérile. Plusieurs expérimentateurs ont découvert que le CO2 d’une cheminée était utile pour la croissance des algues. Pour des raisons d’économie, certains experts estiment que la culture d’algues pour la production de biocarburants devra être réalisée dans le cadre de la cogénération, où elle peut utiliser la chaleur perdue et contribuer à absorber la pollution.

Photobioréacteurs
La plupart des entreprises qui utilisent des algues comme source de biocarburants pompent de l’eau riche en nutriments dans des tubes en plastique ou en verre de borosilicate (appelés « bioréacteurs ») qui sont exposés à la lumière solaire (et appelés photobioréacteurs ou PBR).

L’exécution d’un PBR est plus difficile que d’utiliser un étang ouvert et plus coûteux, mais peut fournir un niveau de contrôle et de productivité plus élevé. De plus, un photobioréacteur peut être intégré dans un système de cogénération en boucle fermée beaucoup plus facilement que les étangs ou d’autres méthodes.

Bassin ouvert
Les systèmes de bassins ouverts consistent en de simples bassins de sol, souvent mélangés par une roue à aubes. Ces systèmes ont des besoins en énergie, des coûts d’exploitation et des coûts d’investissement faibles comparés aux systèmes de photobioréacteur en boucle fermée. Presque tous les producteurs commerciaux d’algues pour les produits à base d’algues de grande valeur utilisent des systèmes de bassins ouverts.

Laveur de gazon
Le laveur d’algues est un système conçu principalement pour nettoyer l’eau des nutriments et des polluants à l’aide de gazon d’algues. ATS imite les algues d’un récif de corail naturel en capturant une eau riche en nutriments provenant de sources d’eaux usées ou de sources naturelles et en la pulsant sur une surface en pente. Cette surface est recouverte d’une membrane plastique rugueuse ou d’un écran qui permet aux spores d’algues naturelles de se déposer et de coloniser la surface. Une fois l’algue établie, elle peut être récoltée tous les 5 à 15 jours et peut produire 18 tonnes de biomasse d’algues par hectare et par an. Contrairement aux autres méthodes, qui se concentrent principalement sur une seule espèce d’algue à haut rendement, cette méthode se concentre sur les polycultures d’algues naturelles. En tant que tel, la teneur en lipides des algues dans un système ATS est généralement plus basse, ce qui la rend plus appropriée pour un carburant fermenté, tel que l’éthanol, le méthane ou le butanol. À l’inverse, les algues récoltées pourraient être traitées avec un procédé de liquéfaction hydrothermale, ce qui permettrait une production de biodiesel, d’essence et de carburéacteur.

Les ATS présentent trois avantages majeurs par rapport aux autres systèmes. Le premier avantage est la productivité accrue documentée par rapport aux systèmes de bassins ouverts. La seconde est la réduction des coûts d’exploitation et de production de carburant. Le troisième est l’élimination des problèmes de contamination dus à la dépendance à des espèces d’algues naturelles. Les coûts projetés pour la production d’énergie dans un système ATS sont de 0,75 USD / kg, contre 3,50 USD / kg pour un photobioréacteur. En outre, étant donné que le but principal de l’ATS est de supprimer les éléments nutritifs et les polluants de l’eau, et que ces coûts se sont révélés moins élevés que d’autres méthodes d’élimination des éléments nutritifs, cela pourrait encourager l’utilisation de cette technologie pour l’élimination des éléments nutritifs. fonction principale, avec la production de biocarburants comme un avantage supplémentaire.

Production de carburant
Après la récolte des algues, la biomasse est généralement traitée en une série d’étapes, qui peuvent différer en fonction de l’espèce et du produit souhaité. C’est un domaine de recherche actif et le goulot d’étranglement de cette technologie: le coût d’extraction est supérieur à celui obtenu. L’une des solutions consiste à utiliser des filtres filtrants pour les « manger ». Les animaux améliorés peuvent fournir des aliments et des carburants. Une méthode alternative pour extraire les algues consiste à les cultiver avec des types spécifiques de champignons. Cela provoque la bio-floculation des algues, ce qui facilite leur extraction.

Déshydratation
Souvent, les algues sont déshydratées, puis un solvant tel que l’hexane est utilisé pour extraire des composés riches en énergie tels que les triglycérides du matériau séché. Ensuite, les composés extraits peuvent être transformés en carburant en utilisant des procédures industrielles standard. Par exemple, les triglycérides extraits réagissent avec du méthanol pour créer du biodiesel par transestérification. La composition unique en acides gras de chaque espèce influence la qualité du biodiesel obtenu et doit donc être prise en compte lors de la sélection des espèces d’algues comme matière première.

Liquéfaction hydrothermale
Une approche alternative appelée liquéfaction hydrothermale utilise un processus continu qui soumet les algues humides récoltées à des températures et pressions élevées – 350 ° C (662 ° F) et 3 000 livres par pouce carré (21 000 kPa).

Les produits comprennent le pétrole brut, qui peut être raffiné en carburant aviation, essence ou diesel en utilisant un ou plusieurs processus de valorisation. Le processus de test a permis de convertir entre 50 et 70% du carbone des algues en carburant. Parmi les autres produits, citons l’eau propre, le gaz combustible et des éléments nutritifs tels que l’azote, le phosphore et le potassium.

Nutriments
Des éléments nutritifs tels que l’azote (N), le phosphore (P) et le potassium (K) sont importants pour la croissance des plantes et sont des éléments essentiels de l’engrais. La silice et le fer, ainsi que plusieurs oligo-éléments, peuvent également être considérés comme des nutriments marins importants car leur absence peut limiter la croissance ou la productivité d’une région.

Gaz carbonique
La formation de bulles de CO2 dans les systèmes de culture d’algues peut considérablement augmenter la productivité et le rendement (jusqu’à un point de saturation). En règle générale, environ 1,8 tonne de CO2 sera utilisée par tonne de biomasse d’algues (sèche) produite, bien que cela varie en fonction des espèces d’algues. La distillerie Glenturret, située dans le Perthshire, au Royaume-Uni – où se trouve le célèbre whisky Grouse – permet de percoler du CO2 obtenu lors de la distillation du whisky au moyen d’un bioréacteur à microalgues. Chaque tonne de microalgues absorbe deux tonnes de CO2. Scottish Bioenergy, qui dirige le projet, vend les microalgues comme un aliment de haute valeur et riche en protéines pour la pêche. À l’avenir, ils utiliseront les résidus d’algues pour produire de l’énergie renouvelable par digestion anaérobie.

Azote
L’azote est un substrat précieux qui peut être utilisé pour la croissance des algues. Diverses sources d’azote peuvent être utilisées comme nutriment pour les algues, avec des capacités variables. Les nitrates se sont avérés être la source d’azote privilégiée en ce qui concerne la quantité de biomasse cultivée. L’urée est une source facilement disponible qui donne des résultats comparables, ce qui en fait un substitut économique à la source d’azote dans la culture d’algues à grande échelle. Malgré la nette augmentation de la croissance par rapport à un milieu sans azote, il a été démontré que des modifications des niveaux d’azote affectent la teneur en lipides dans les cellules des algues. Dans une étude, la privation d’azote pendant 72 heures a entraîné une augmentation de 2,4 fois la teneur totale en acides gras (par cellule). 65% des acides gras totaux ont été estérifiés en triacylglycérides dans des corps huileux, par rapport à la culture initiale, ce qui indique que les cellules d’algues utilisaient une synthèse de novo d’acides gras. Il est essentiel que la teneur en lipides dans les cellules d’algues soit suffisamment élevée, tout en maintenant des temps de division cellulaire adéquats, afin de rechercher les paramètres permettant de maximiser ces deux facteurs.

Eaux usées
Les sources d’éléments nutritifs possibles sont les eaux usées provenant du traitement des eaux usées, des eaux de ruissellement agricoles ou des ruisseaux d’inondation, tous les principaux polluants et les risques pour la santé. Cependant, ces eaux usées ne peuvent pas nourrir directement les algues et doivent d’abord être traitées par des bactéries, par digestion anaérobie. Si les eaux usées ne sont pas traitées avant d’atteindre les algues, elles contamineront les algues dans le réacteur et, à tout le moins, tueront une grande partie de la souche d’algues souhaitée. Dans les installations de biogaz, les déchets organiques sont souvent convertis en un mélange de dioxyde de carbone, de méthane et d’engrais organiques. L’engrais organique qui sort du digesteur est liquide et convient presque à la croissance des algues, mais il doit d’abord être nettoyé et stérilisé.

L’utilisation des eaux usées et de l’eau de mer au lieu de l’eau douce est fortement recommandée en raison de l’épuisement continu des ressources en eau douce. Cependant, la présence de métaux lourds, de métaux traces et d’autres contaminants dans les eaux usées peut réduire la capacité des cellules à produire des lipides par biosynthèse et avoir également un impact sur divers autres travaux de la machinerie cellulaire. Il en va de même pour l’eau de mer, mais les contaminants se trouvent à des concentrations différentes. Ainsi, les engrais de qualité agricole sont la source privilégiée d’éléments nutritifs, mais les métaux lourds posent encore un problème, en particulier pour les souches d’algues sensibles à ces métaux. Dans les systèmes à bassins ouverts, l’utilisation de souches d’algues pouvant traiter de fortes concentrations de métaux lourds pourrait empêcher d’autres organismes d’infester ces systèmes. Dans certains cas, il a même été démontré que des souches d’algues pouvaient éliminer plus de 90% du nickel et du zinc des eaux usées industrielles en relativement peu de temps.

Impact environnemental
Par rapport aux cultures de biocarburants terrestres telles que le maïs ou le soja, la production de microalgues entraîne une empreinte terrestre beaucoup moins importante en raison de la productivité pétrolière supérieure des microalgues par rapport à toutes les autres cultures oléagineuses. Les algues peuvent également être cultivées sur des terres marginales inutiles pour les cultures ordinaires et ayant une faible valeur pour la conservation, et peuvent utiliser l’eau des aquifères salés qui n’est pas utile pour l’agriculture ni pour la consommation. Les algues peuvent également se développer à la surface de l’océan dans des sacs ou des écrans flottants. Ainsi, les microalgues pourraient constituer une source d’énergie propre ayant peu d’impact sur l’approvisionnement en nourriture et en eau en quantité suffisante ou sur la conservation de la biodiversité. La culture d’algues ne nécessite également aucune subvention externe d’insecticides ou d’herbicides, éliminant ainsi tout risque de génération de flux de déchets de pesticides associés. De plus, les biocarburants à base d’algues sont beaucoup moins toxiques et se dégradent beaucoup plus facilement que les carburants à base de pétrole. Cependant, en raison de la nature inflammable de tout carburant combustible, il existe un risque environnemental si enflammé ou déversé, tel que cela peut se produire lors d’un déraillement de train ou d’une fuite dans un pipeline. Ce risque est réduit par rapport aux combustibles fossiles, en raison de la possibilité de produire des biocarburants à base d’algues de manière beaucoup plus localisée, et en raison de la toxicité plus faible dans l’ensemble, mais le danger est toujours présent. Par conséquent, les biocarburants à base d’algues devraient être traités et utilisés de la même manière que les carburants à base de pétrole, avec des mesures de sécurité suffisantes en place à tout moment.

Des études ont montré que le remplacement des combustibles fossiles par des sources d’énergie renouvelables, telles que les biocarburants, permettait de réduire les émissions de CO2 de 80%. Un système à base d’algues pourrait capter environ 80% du CO2 émis par une centrale électrique lorsque la lumière du soleil est disponible. Bien que ce CO2 soit ensuite rejeté dans l’atmosphère lors de la combustion du carburant, il serait néanmoins entré dans l’atmosphère. La possibilité de réduire les émissions totales de CO2 réside donc dans la prévention des émissions de CO2 par les combustibles fossiles. En outre, comparée aux carburants comme le diesel et le pétrole et même à d’autres sources de biocarburants, la production et la combustion de biocarburants à base d’algues ne produisent pas d’oxydes de soufre ni d’oxydes nitreux, et produisent une quantité réduite de monoxyde de carbone, d’hydrocarbures non brûlés émission d’autres polluants nocifs. Étant donné que les sources végétales terrestres de production de biocarburants n’ont tout simplement pas la capacité de production nécessaire pour répondre aux besoins énergétiques actuels, les microalgues peuvent être l’une des seules options permettant de remplacer complètement les combustibles fossiles.

La production de microalgues inclut également la possibilité d’utiliser les déchets salins ou les flux de CO2 résiduels comme source d’énergie. Cela ouvre une nouvelle stratégie pour produire du biocarburant en conjonction avec le traitement des eaux usées, tout en étant capable de produire de l’eau propre en tant que sous-produit. Lorsqu’elles sont utilisées dans un bioréacteur à microalgues, les microalgues récoltées capturent des quantités importantes de composés organiques ainsi que des contaminants de métaux lourds absorbés par les flux d’eaux usées qui seraient autrement directement rejetés dans les eaux de surface et les eaux souterraines. De plus, ce procédé permet également de récupérer le phosphore contenu dans les déchets, élément essentiel mais rare dans la nature – dont on estime que les réserves se sont épuisées au cours des 50 dernières années. Une autre possibilité est l’utilisation de systèmes de production d’algues pour éliminer la pollution de source non ponctuelle, dans un système appelé épurateur de tourbe algale (ATS). Il a été prouvé que cela réduisait les niveaux d’azote et de phosphore dans les rivières et autres grands plans d’eau affectés par l’eutrophisation, et des systèmes sont en cours de construction, capables de traiter jusqu’à 110 millions de litres d’eau par jour. L’ATS peut également être utilisé pour traiter la pollution de source ponctuelle, telle que les eaux usées mentionnées ci-dessus, ou pour traiter les effluents d’élevage.