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Microalgues pour biocarburants de 3e génération
		Clotilde BERTHIER et Vivien DELOULE Élèves ingénieurs 2e année Avril 2013 Mise en ligne - Novembre 2013 Avertissement Ce mémoire d'étudiants est une première approche du sujet traité dans un temps limité. À ce titre, il ne peut être considéré comme une étude exhaustive comportant toutes les informations et tous les acteurs concernés.		Plan   I - Introduction II - Fabrication de carburant avec des microalgues III - Analyse économique IV - Perspectives V - Conclusion VI - Bibliographie - Webographie
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I - Introduction

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	Les bioraffineries : opportunités papetières ?

	Figure 1 - Biocarburant [Linfo.re]

Dans un souci permanent de réduction des émissions de gaz à effet de serre et de préservation de l'environnement, se tourner vers les bioénergies semble incontournable.

De plus, les pressions économiques liées à l'instabilité politique des régions d'extraction pétrolière ou à l'augmentation des coûts du pétrole jouent également un rôle dans le développement des biocarburants qui apparaît comme l'une des réponses à ces difficultés [Figure 1].

Dans son Discours sur l'état de l'Union en janvier 2006, le président George W. Bush déclarait : "Pour que l’Amérique soit compétitive, il faut de l’énergie à un coût acceptable. Et c’est là que nous avons un sérieux problème : l’Amérique est dépendante du pétrole, qui provient souvent de régions du monde instables. Le meilleur moyen de se débarrasser de cette addiction est la technologie".

	Figure 2 - Biocarburant : 3 générations

Ce constat fait pour les États-Unis vaut pour tous les pays dépendants de l'énergie pétrolière, d'où un intérêt croissant pour la bioénergie c'est-à-dire l'énergie renouvelable obtenue par transformation chimique de la biomasse.

Fabriqués à partir de matières organiques végétales, les biocarburants sont classés en deux catégories principales : l’éthanol, issu de la fermentation de sucres, qui peut remplacer l’essence et le biodiesel, produit à partir d’huiles, qui est un substitut au diesel.

La matière première utilisée pour la fabrication d'un biocarburant définit sa génération. La première génération issue de ressources agricoles conventionnelles rencontre des problèmes dus à une compétition avec l'agroalimentaire. Une deuxième génération repose sur la biomasse lignocellulosique. Enfin, une troisième génération de biocarburant provenant de microalgues est en cours de développement [Figure 2].

Il ne faut pas perdre de vue que les biocarburants se situent à la frontière entre l’environnement, l’agriculture et l’énergie. Un mélange complexe et parfois contradictoire : ce qui est bon pour l’environnement ne l’est pas forcément pour l’agriculture et l’énergie, et inversement. Quelles sont les interactions entre ces trois domaines ? Comment les biocarburants à base de microalgues peuvent-ils répondent à ces problématiques ? Quelle pourrait être leur place sur le marché des biocarburants ?

II - Fabrication de carburant avec des microalgues

II-1 - Deux premières générations de biocarburants

II-1-1 - Biocarburants issus de ressources agricoles : la 1^re génération

Le développement des biocarburants a connu des hauts et des bas et n’a pas échappé à un effet de mode. Leur apparition date de la naissance de l'industrie automobile; Les biocarburants, qui ne portaient pas encore ce nom, faisaient rouler les voitures, comme la Ford T ou les moteurs Diesel en particulier. Après un désintérêt pour leur utilisation au milieu du XX^e siècle en raison de l'abondance et du faible coût du pétrole, les deux chocs pétroliers en 1973 et 1979 leur redonnent de l'intérêt, de nouveau abandonné avec le contre-choc pétrolier de 1986.

En 1992, la Politique Agricole Commune donne l'occasion de développer les biocarburants en instituant les jachères et la première unité industrielle de production de biodiesel est créée. Cette tendance se poursuit dans les années 2000 avec la hausse du prix du pétrole et la prise de conscience des questions écologiques.

Les biocarburants de cette première génération sont issus de betterave, céréales et canne à sucre pour l'éthanol, de colza, tournesol, soja et palme pour le biodiesel [Figure 3].

	Cliquer sur l'image pour l'agrandir Figure 3 - Filières classiques des biocarburants de première génération [IFP Énergies nouvelles]

Trois filières peuvent être distinguées.

Filière huile

Ce sont des plantes oléagineuses telles que le colza ou le tournesol qui sont les matières premières des combustibles suivants :

• Huile végétale brute obtenue par pressurage de la graine et utilisée directement comme carburant dans un moteur diesel.
• Biodiesel obtenu par la transformation des triglycérides des huiles végétales.

Filière alcool

Les plantes concernées sont celles qui possèdent des matériaux, comme le sucre ou l'amidon, capables de fermenter pour donner un alcool : canne à sucre, betterave sucrière, maïs, blé ou ulve, ou encore algue verte.

Les voies d'utilisation sont les suivantes :

• Bioéthanol obtenu par fermentation des sucres et capable de remplacer l'essence.
• Éthyl tertio butyl éther (ETBE), un dérivé de l'éthanol qui permet de remplacer le plomb dans l'essence.
• BioButanol, évoqué comme biocarburant de substitution.
• Méthanol utilisé pour un remplacement partiel de l'essence ou comme additif dans le gasoil.

Filière gaz
Les combustibles de cette filière sont obtenus à partir du méthane qui constitue 50 à 90% des biogaz. Le biogaz résulte de la fermentation des matériaux organiques tels que les déchets des produits des cultures. Il se positionne comme un substitut au gaz naturel. Les réductions des gaz à effet de serre sont au minimum de 50% et varient fortement selon le substrat utilisé. Des gains sur les émissions de particules autour de 40% ont été observés par rapport à une référence fossile.

Limites du développement de la 1^re génération de biocarburants

"C’est un crime contre l'humanité qui est commis lorsque l'on convertit un sol productif pour l'alimentation en terre à produire du biocarburant" déclare Jean Ziegler, Rapporteur spécial sur le droit à l’alimentation, en octobre 2007 à l'Organisation des Nations Unies (ONU). En effet, le problème principal est que la production de ces biocarburants repose sur l'utilisation des organes de réserve des cultures – graines de céréales, oléagineux et les racines de betterave par exemple – en compétition avec l'agriculture et au détriment de l'alimentation [Figure 4]. D’ailleurs, certains préfèrent utiliser le terme 'agrocarburant' afin de souligner cette origine agricole et éviter toute confusion avec l’agriculture biologique. Toutefois, le terme officiel est bien 'biocarburant'.

	Figure 4 - Les agrocarburants, concurrents de l'agriculture alimentaire [Fondation SQLI]

Par ailleurs, le bilan environnemental – qui correspond au rapport entre l’énergie disponible et celle qui a été utilisée – des biocarburants de 1^re génération n’est pas toujours bon. D’après une étude de l’Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Énergie (Ademe), l’efficacité énergétique de l’alcool produit à partir de la canne à sucre brésilienne est la meilleure avec 5,82. En revanche, l’efficacité énergétique des autres biocarburants est moins bonne : 2,23 pour le diester de colza, 1,35 pour le blé et seulement 1,25 pour la betterave. De plus, même si le bilan des émissions de gaz à effet de serre des agrocarburants est inférieur à celui des carburants classiques (au moins 53 % de moins pour le bioéthanol européen, EMVH, par exemple), des surfaces importantes de forêt sont détruites pour laisser place à des plantations de palmiers à huile ou de cannes à sucre. Or, la déforestation est responsable d’une importante libération de gaz à effet de serre.

II-1-2 - Biocarburants issus de la biomasse lignocellulosique : la 2^e génération

Face aux limites de la première génération de biocarburants, la recherche s’oriente vers les matériaux lignocellulosiques issus de végétaux non alimentaires : bois, pailles, résidus agricoles, déchets forestiers, macroalgues ou encore plantes cultivées spécialement pour cette utilisation comme le Miscanthus Giganteus, le Switchgrass et le Peuplier à courte rotation. Cette 2^e génération concerne les filières éthanol et biodiesel avec des technologies différentes de celles de la première [Figures 5 & 6].

	Cliquer sur l'image pour l'agrandir Figure 5 - Les différentes voies de production de biocarburants et les filières de la biomasse lignocellulosique [IFP Énergies nouvelles]

	Cliquer sur l'image pour l'agrandir Figure 6 - Filières des biocarburants de 2e génération [IFP Énergies nouvelles]

Pour transformer la biomasse lignocellulosique en carburant, il existe deux voies possibles : la voie thermochimique et la voie biochimique.

Voie thermochimique

La voie thermochimique, Biomasse To Liquids (BTL), produit du biodiesel et du biokérosène qui sont des alternatives aux carburants aviation.

Quatre étapes sont nécessaires pour la transformation.

• Préparation de la biomasse qui devient une matière homogène grâce à un broyage puis des techniques de pyrolyse rapide ou de torréfaction.
• Gazéification dans un réacteur pour obtenir un gaz de synthèse constitué de monoxyde de carbone et de dihydrogène. Il existe trois sortes de réacteurs différents : à lit fixe (T°=500-100°C, P=1-30 bar, temps de séjour de quelques heures, puissance=0.01-10MWé), à lit fluidisée (T°=800-1000°C, P=1-10 bar, temps de séjour de quelques minutes, puissance=1-100MWé) ou à lit à flux entraîné (T°=1200-1500°C, P=30-80 bar, temps de séjour de quelques secondes, puissance >100MWé).
• Purification des gaz de synthèse en supprimant des composés comme le soufre, les métaux ou le dioxyde de carbone pour éviter l’empoisonnement des catalyseurs des étapes suivantes.
• - Synthèse Fisher-Tropsch qui transforme le gaz de synthèse épuré en gasoil et kérosène de synthèse par l'action de catalyseurs : T°=200-350°C, P=15-22 bars, catalyseurs Fe ou Co. CO+2H₂ à C_nH_2n +n H₂O avec n=1 à 180. On ne veut garder que les hydrocarbures comportant 10 à 20 carbones pour le diesel FT (C1 à C4 à recycler, C5 à C9 valorisés sous forme de naphta, et hydrocraquage des chaînes comportant plus de 20 carbones). On obtient alors un biodiesel miscible avec le diesel conventionnel, mais les étapes de purification sont coûteuses et le rendement n’est que de 20 à 30%.
  - Synthèse de méthanol, Diméthylether (DME) : CO+2H₂ à CH₃OH avec un catalyseur au Cuivre ou Alumine. Mais ce carburant n’est pas miscible avec les carburants fossiles.
  - Méthanation pour obtenir du Synthetic Natural Gas (SNG) afin de remplacer le gaz naturel fossile.

Cette technologie de gazéification présente un bilan énergétique positif et meilleur que les technologies de 1^re génération. Les étapes de purification permettent d’obtenir un diesel moins polluant que le diesel fossile. Cependant, il faut encore améliorer les technologies pour les adapter à une plus grande diversité de biomasse, les industrialiser et optimiser les performances économiques et environnementales.

Il est actuellement possible d’obtenir du diesel Fisher-Tropsch aux alentours de 2€ le litre hors taxes. Les taxes sur le diesel s’élevant en France à 56%, ce prix ne pourrait devenir compétitif dans les prochaines années qu’avec un effort du gouvernement pour promouvoir les biocarburants en diminuant les taxes.

Tableau 1 - Projets de recherche sur la voie thermochimique

Voie biochimique

La voie biochimique permet de produire l'éthanol de 2^e génération utilisé dans les moteurs à essence. Dans ce cas, la source végétale ne donne pas un sucre directement exploitable et il faut donc ajouter des étapes de transformation.

• Extraction de la cellulose facilement convertible en éthanol par un traitement physico-chimique. Les autres constituants de la matière lignocellulosique, hémicelluloses et lignine, sont laissés de côté.
• Transformation de la cellulose en glucose par hydrolyse grâce à des enzymes.
• Transformation du glucose en éthanol par fermentation grâce à des levures.
• Purification de l'éthanol par distillation et déshydratation.

Cette transformation par voie biochimique est coûteuse, en partie à cause de la quantité d'enzymes nécessaire pour convertir la cellulose en sucre. Pour augmenter la productivité, les hémicelluloses pourraient servir à produire des enzymes et la lignine pourrait être une source d'énergie pour le procédé.

Tableau 2 - Projets de recherche sur la voie biochimique

Système de durabilité

Les biocarburants de 2^e génération présentent des avantages indéniables : disponible sur l'ensemble de la planète, la biomasse lignocellulosique est plus abondante et moins coûteuse que les ressources agricoles nécessaires à la 1^re génération. Le bilan environnemental de la 2^e génération est a priori meilleur que celui de la première.

Toutefois, il est important de s’intéresser à l’optimisation des systèmes de production en particulier pour la consommation d’énergie et la production de gaz à effet de serre. Dès 2009, deux directives européenne imposent la conformité des biocarburants aux exigences du développement durable. Seuls les biocarburants répondant aux critères de durabilité quantitatifs et qualitatifs peuvent être pris en compte pour évaluer le respect des objectifs en matière d'énergies renouvelables et de réduction des gaz à effet de serre (GES), et également pour bénéficier d'une aide financière pour leur consommation.

Les critères quantitatifs sont les critères liés aux émissions de GES : les biocarburants doivent permettre une baisse d'au moins 35% de ces émissions par rapport aux carburants fossiles de référence.  Elle devra être d'au moins 50% en 2017 et de 60% en 2018.

Les critères qualitatifs sont les critères liés aux terres. Notamment, les biocarburants ne doivent pas être produits à partir de terres riches en biodiversité et de terres présentant un important stock de carbone ou de tourbière.

Acteurs des filières biocarburants de 1^re et 2^e génération

Ils sont nombreux. La Direction Générale de l'Énergie et du Climat les recense dans le Tableau 3 ci-dessous.

	Tableau 3 - Principaux acteurs de la filière biocarburants [Direction Générale de l'Énergie et du Climat]

Ces deux générations de biocarburants offrent des capacités de production déjà effectives et de belles perspectives de progression. Cependant, même si la quantité de biomasse produite naturellement chaque année atteint 150 milliards de tonnes, 6 milliards seulement sont utilisées (alimentation pour un tiers et énergie par combustion pour deux tiers) et un milliard supplémentaire seulement pourrait être facilement extractible en vue d’une utilisation en bioraffinerie. Considérant qu’il faut 2,2 tonnes de bois pour produire une tonne d'équivalent pétrole (TEP), on ne peut espérer remplacer que 10 à 15% de carburants fossiles : la production mondiale de pétrole est chiffrée en milliards de tonnes par an.

Il est donc nécessaire de trouver des moyens de production supplémentaires n’utilisant pas la biomasse terrestre. D'où un intérêt croissant pour les microalgues.

II-2 - Une troisième génération de biocarburants sous les microscopes

	Vidéo 1 - Les microalgues, essence du futur ? [YouTube]

II-2-1 - Microalgues

Les algues microscopiques ou microalgues à haute teneur en lipides sont la matière première destinée à produire cette nouvelle génération de carburants. Selon l'Encyclopédie Larousse, l'algue est un "végétal chlorophyllien aquatique ou des lieux humides, n'ayant ni feuilles, ni racines, ni vaisseaux, ni fleurs, ni graines". Les microalgues sont des micro-organismes photosynthétiques Eucaryotes.[Figure 7].

	Figure 7 - Microalgues [Ifremer]

Cette génération de biocarburants en est encore au stade de la recherche mais s'avère très prometteuse : plus d’une centaine de projets sur la valorisation de la biomasse sont identifiés au niveau international. Grâce à des acteurs scientifiques tels que le Centre national de la recherche scientifique (CNRS), l’Institut français de recherche pour l'exploitation de la mer (Ifremer) et le Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), la France fait partie des leaders de la recherche sur les microalgues et se situe au 1^er rang mondial pour les publications et au 4^e rang pour les dépôts de brevets.

Les microalgues grandissent dans tous les milieux aqueux, doux ou salés, à condition d'avoir accès à la lumière, du CO₂ et des nutriments. Leur biodiversité est à peine explorée : environ 30 000 espèces décrites pour 200 000 à 1 million estimées. Elles représentent environ 40% de la photosynthèse terrestre. Si les microalgues suscitent autant d’intérêt, c’est qu’elles présentent certains avantages [Tableau 4].

Tableau 4 - Production de microalgues : avantages et inconvénients
et comparaison avec des végétaux terrestres
[Biomasse et Bioénergies]

Les composants des algues peuvent servir à la production de carburant et de nourriture ou encore dans les domaines pharmaceutiques et cosmétiques [Figure 8].

	Figure 8 - Schéma d'un procédé intégré de type bioraffinerie [Khan, Rashmi et al.]

En plus de leurs propriétés de croissance exceptionnelle, les microalgues peuvent produire les molécules souhaitées, telles que des lipides ou des biopolymères, avec de forts rendements. Cette capacité est due à la composition mixte, mi-animale mi-végétale, de leur cellule unique contenant deux "centrales énergétiques" essentielles à leur croissance : la mitochondrie et le chloroplaste [Figure 9].
La mitochondrie est le siège de la respiration, aboutissant à la formation d'énergie à partir de carbone sous toutes ses formes, permettant ainsi l’utilisation d’eaux usées comme source de nutriments. Grâce à ces mitochondries, les microalgues peuvent se multiplier très rapidement, condition indispensable pour la production des molécules désirées à coût maîtrisé. Le chloroplaste, quant à lui, est le siège de la photosynthèse. Il absorbe l’énergie lumineuse pour fixer le CO₂. Le chloroplaste contribue à stimuler la production de molécules désirées ne pouvant être produites par la mitochondrie.

	Figure 9 - Schéma d'une microalgue [Fermentalg]

Pour obtenir le meilleur rendement possible, la combinaison de ces deux moteurs permet la mixotrophie : la microalgue se nourrit aussi bien par autotrophie (absorption de lumière) que par hétérotrophie (absorption de matière organique). La meilleure technique est la mixotrophie à dominante hétérotrophe. Elle consiste à introduire une composante lumineuse de faible intensité et de courte durée. Comme en hétérotrophie, un substrat organique nourrit les microalgues pour produire de grandes quantités de biomasse mais cette fois le chloroplaste est activé. Cela a pour effet d’augmenter la productivité de la cellule ainsi que de permettre la synthèse de toutes les molécules pouvant être métabolisées par une microalgue.

II-2-2 - Fabrication

La production des biocarburants de 3^e génération passe par quatre étapes.

• Sélection des microalgues pour leur richesse en huile.
• Culture dans des grands bassins de plein air ou dans des photobioréacteurs (tubes transparents).
• Récolte et extraction de l'huile selon différentes méthodes (centrifugation, traitement au solvant, lyse thermique,…).
• Conversion de l'huile en biocarburant.

Culture des microalgues

Les microalgues peuvent être cultivées de différentes façons : en masse dans des bassins ouverts, dans des photobioréacteurs fermés ou dans des fermenteurs. Aucune de ces méthodes ne peut être préférée aux autres car elles ont toutes des aspects positifs et négatifs.

• Les bassins ouverts présentent l’avantage d’une construction facile et rapide. Néanmoins, en raison de la variation de la concentration atmosphérique de CO₂ et de la luminosité et du manque de brassage de la culture, ils sont facilement contaminés [Figure 10].

	Figure 10 - Bassins ouverts de culture de microalgues [Seambiotic]

• Contrairement aux bassins ouverts, les photobioréacteurs sont onéreux et complexes à fabriquer mais le contrôle est de meilleure qualité [Figure 11].
  Il en existe trois sortes :
  - Photobioréacteurs à colonne verticale : ils ont une grande capacité mais sont difficiles à réaliser et la répartition de la lumière n’est pas équitable dans la colonne.
  - Photobioréacteurs tubulaires : ils sont faciles à fabriquer mais la répartition de CO₂, d’O₂ et du pH n’est pas homogène.
  - Photobioréacteurs plats : ils produisent une grande quantité, assurent une bonne répartition de la lumière et un bon rendement, mais la température n’est pas constante.

	Figure 11 - Photobioréacteurs [Saudi Journal of Biological Sciences]

• Certaines microalgues peuvent être cultivées de façon hétérotrophique, sans lumière, en se nourrissant de substrats organiques, dans des fermenteurs.

Récolte et extraction de l’huile

La récolte des microalgues est une étape clé du processus puisqu’elle peut représenter 20 à 30% des coûts de production de la filière algale. La méthode de récolte dépend des étapes précédentes (choix de l’espèce et mode de culture) et est déterminante pour les étapes suivantes.

Dans certains cas, les microalgues peuvent ne pas être récoltées physiquement : seules les substances d’intérêt sont récupérées en mettant en contact les algues et un solvant organique d’extraction puis en opérant une extraction liquide/liquide et une séparation de phase. Cette méthode nommée "milking" sert en particulier à la production de lipides. Une fois les substances extraites, les algues sont remises en culture et leur taux de survie, souvent proche de 100%, est extrêmement bon.

Sinon, il existe plusieurs méthodes de récolte liées à deux principes de séparation différents.

• Principe de séparation par différence de masse volumique des cellules par rapport à celle du milieu. Dans ce cas, des techniques de sédimentation, de floculation-décantation, de flottation et de centrifugation sont utilisées.
• Principe de séparation par exclusion de taille. Les techniques employées sont le tamisage et les procédés à membranes pouvant utiliser la micro ou l’ultrafiltration.

En pratique, les techniques sont souvent combinées : floculation puis flottation ou décantation ; floculation puis centrifugation ; floculation puis filtration. Un procédé de récolte efficace à petite échelle ne l'est pas forcément techniquement et économiquement à l'échelle industrielle. L’étape de récolte est donc une étape clé et complexe [Figure 12].

	Cliquer sur l'image pour l'agrandir Figure 12 - Comparaison des systèmes de récolte en fonction de leur consommation énergétique [Adebiotech]

Les algocarburants sont obtenus principalement à partir des huiles produites par les microalgues. Les plus performantes peuvent contenir jusqu’à plus de 70% de lipides. Il y a plusieurs procédés d’extraction de ces lipides : extraction au solvant (DMF, Acétone, Hexane), champs électromagnétiques, micro-ondes, ultrasons, liquides ioniques ou actions mécaniques [Figure 13].

	Cliquer sur l'image pour l'agrandir Figure 13 - Extraction des lipides des microalgues [CEA]

Conversion des lipides en biocarburant

Deux méthodes permettent de convertir les lipides obtenus en biocarburant (biodiesel et biokérosène) [Figure 14].

• Transestérification : elle fait réagir l'huile obtenue avec du méthanol ou de l'éthanol. On obtient alors un ester d'huile algale ou biodiesel. En tant que biodiesel, le carburant obtenu peut être ajouté au gazole classique à hauteur d’environ 10% volume.
  
• Hydrotraitement : il s’agit d’une hydrogénation catalytique qui fait réagir l'huile en présence d'hydrogène. La réaction d’hydrogénation est suivie d'un hydrocraquage. On produit alors des hydrocarbures qui peuvent être incorporés en quantité importante au gazole ou au kérosène.

	Figure 14 - Biocarburants issus de microalgues lipidiques [IFP Énergies nouvelles]

II-2-3 - Projets de recherche

Les nombreux projets de recherche sur les biocarburants de 3^e génération représentent un budget de plus de 200 millions d’euros [Tableau à télécharger].

À titre d'exemple, en 2012, le projet GreenStars a été retenu au titre des Investissements d'Avenir en tant qu' Institut d'Excellence sur les Énergies Décarbonées (IEED). Objectif : développer à l’horizon 2020, des composés d’intérêt dont notamment des biocarburants performants et des molécules à haute valeur ajoutée grâce à des microalgues utilisant les émissions de CO₂ et les substances issues des rejets des activités humaines. 45 partenaires (organismes de recherche publique, collectivités territoriales, pôles de compétitivité, entreprises) sont impliqués. Son ambition est de se positionner, d’ici cinq à dix ans, parmi les centres d’excellence mondiaux dans le domaine de la bioraffinerie des microalgues.

III - Analyse économique

III-1 - Environnement concurrentiel

	Cliquer sur l'image pour l'agrandir Figure 15 - Analyse concurrentielle (diagramme de Porter) du marché des biocarburants de 3e génération

	Figure 15 - Chaîne de valeur des algocarburants

	Figure 16 - Chaîne de valeur des biocarburants de 1re et 2e générations

	Figure 16 - Chaîne de valeur des carburants fossiles

III-2 - Variables essentielles et facteurs clés de développement

Variables essentielles au développement des biocarburants :

• Prix du pétrole.
• Approche du pic de la production de pétrole c'est-à-dire le moment où la production mondiale de pétrole plafonne avant de commencer à décliner du fait de l’épuisement des réserves pétrolières exploitables.
• Lutte contre le changement climatique.
• Menaces géopolitiques contre la sécurité des approvisionnements de pétrole.

Variables essentielles au développement des biocarburants de 3^e génération par rapport à ceux de 1^re et 2^e génération :

• Prix des biocarburants de 3^e génération : coût de la matière première, coût des procédés (fonctionnement et installation)...
• Problème de la compétition avec les ressources alimentaires.
• Budget alloué à la recherche et à la phase pilote du développement.

Facteurs clés de développement :

•  Aspect législatif et réglementaire. Par exemple, la France se dote d’un objectif de 23% de consommation d’énergie renouvelable d’ici 2020 (Directive 2009/28/CE du 23 avril 2009).
• Aspect environnemental : objectif de réduction de 10% des émissions de gaz à effet de serre dans les carburants entre 2010 et 2020 (Directive 2009/30/CE du 23 avril 2009).
• Prix des biocarburants : le développement des biocarburants est soutenu par deux dispositifs fiscaux, la défiscalisation et la taxe générale sur les activités polluantes (TGAP).
• Coût de la recherche.

III-3 - Tendances

III-3-1 - Répartition de la production et de la consommation des biocarburants

Depuis 2007, les États-Unis sont les premiers producteurs et consommateurs de biocarburants dans le monde. Suivent ensuite l'Amérique Latine et l'Europe, avec des niveaux de consommation proches mais avec une forte prédominance du biodiesel en Europe et de l'éthanol au Brésil [Figures 17 & 18].

	Figure 17 - Répartition de la production de biodiesel et d'éthanol par grandes zones en 2010 [IFP Énergies nouvelles]		Figure 18 - Répartition de la consommation de biodiesel et d'éthanol dans l'Union européenne en 2010 [IFP Énergies nouvelles]

III-3-2 - Prix des biocarburants

Aujourd'hui, la production de biocarburants coûte plus cher que celle de l'essence ou du gazole. Résoudre ce problème est essentiel pour que les biocarburants soient viables à long terme.

Écart de prix entre les biocarburants et les carburants fossiles

À quantité d'énergie équivalente, le surcoût (hors taxes) par rapport à l'essence, de l'éthanol produit en Europe ou aux États-Unis est d'environ 50 à 80 %. Le Brésil est le seul pays où, compte tenu des coûts de production plus faibles, l'éthanol est compétitif par rapport à l'essence. Quant au biodiesel, son surcoût par rapport au gazole pétrolier est également important, de l'ordre de 30 à 75 % [Figure 19].

	Figure 19 - Évolution des prix de l'huile de colza et du gazole de 1990 à 2006 [IFP Énergies nouvelles]

Le prix du litre de biocarburants à base d’algues reste purement spéculatif puisqu’il n’y a encore aucune production industrielle, mais avec les moyens de production actuels, le coût est très élevé : plus de 5 € le litre. Cette forme de biocarburant ne pourrait donc pas être développée à ce prix car il ne serait pas compétitif.

Variation du prix des biocarburants

L'idée communément admise – la hausse du prix du pétrole brut rend les biocarburants plus rentables – doit être nuancée. La production d'éthanol consomme elle-même de l'énergie car la production des matières premières s'appuie sur une agriculture intensive qui actuellement consomme du pétrole (pour les engins agricoles, engrais, pesticides, etc.). Ainsi, quand le prix du pétrole augmente, les coûts de production des biocarburants s'accroissent également.

De plus, le prix de revient des biocarburants n'est pas fixe : il varie en fonction du cycle économique des matières premières agricoles dont les cours peuvent augmenter ou diminuer fortement du fait de la croissance économique ou d'aléas climatiques défavorables.

Enfin, en Europe, la parité euro/dollar a aussi un impact sur l'attractivité des biocarburants. En effet, le pétrole est coté en dollars et les biocarburants sont proposés en euros. Ainsi, un euro fort par rapport au dollar réduit la compétitivité des biocarburants.

III-4 - Marché actuel et évolution

D'après les statistiques de l'Organisation de Coopération et de Développement Économique (OCDE), de 2007 à 2011, la production de biocarburants augmente dans l'Union Européenne et dans le monde : elle passe de 72 milliards à 106 milliards de litres pour le bioéthanol (+47%) et de 11 milliards à 23 milliards de litres pour le biodiesel.

III-4-1 - Biodiesel

L'Union Européenne est le premier consommateur de biodiesel mais aussi le premier importateur soit 82 % de l'ensemble des importations de biodiesel dans le monde (2,1 Mt en 2010, essentiellement depuis l'Argentine et l'Indonésie). Les échanges sont également importants à l'intérieur de l'Union Européenne, l'Allemagne et l'Italie étant les plus gros importateurs.

L'Argentine est aujourd'hui le premier pays exportateur de biodiesel (mais le 8^e producteur) ce qui représente plus de la moitié des exportations mondiales, essentiellement vers la Norvège et les États-Unis. En Asie, dans les pays producteurs d'huile de palme se trouvent les marchés de biodiesel les plus importants, notamment en Indonésie, 1^er producteur d'huile de palme devant la Malaisie.

III-4-2 - Éthanol

Le marché international de l’éthanol est dominé par les États-Unis [Figure 20].

	Figure 20 - Évolution de la production de bioéthanol aux États-Unis entre 1981 et 2010 [IFP Énergies nouvelles]

Avec un rendement en sucre élevé pour la canne à sucre et des coûts d'exploitation moindres, le coût de production de l'éthanol est très compétitif au Brésil. L'éthanol brésilien dominait le marché de l'exportation. Toutefois, la compétitivité du maïs associée à la baisse du dollar et à la montée en flèche du real brésilien, a permis à l'éthanol américain de s'imposer sur le marché international.
En 2010, les échanges mondiaux de biocarburants ont atteint 5 Mt d'éthanol et 2,6 Mt de biodiesel.

III-4-3 - Zoom sur l'Europe

Le marché européen des biocarburants est dominé par la filière gazole, avec 12 milliards de litres produits contre 3,7 milliards de litres environ pour l’éthanol. Cette différence est due au parc automobile alimenté majoritairement au diesel (deux tiers diesel et un tiers essence).

D’après l’European Biodiesel Board, la France est le premier producteur européen d’éthanol, suivie de l’Allemagne et de l’Espagne, tandis que le premier producteur de biodiesel est l’Allemagne, suivie de la France et de l’Espagne.

III-4-4 - Évolution du marché

À l’échelle mondiale, les biocarburants ont connu un véritable boom ces dernières années : la production de biocarburants a été d’environ 47 millions de tonnes équivalent pétrole (tep) en 2009 soit presque cinq fois la production de l’année 2000 (10 millions de tep). Cependant, la production mondiale de biocarburants représente seulement 2,5% de la consommation mondiale de pétrole pour le transport qui est de plus de 2 milliards de tep. Cela représente donc une diminution très modeste du pétrole nécessaire au transport.

L'Union Européenne affiche une croissance de consommation de biodiesel relativement stable. L'Amérique Latine voit en revanche sa consommation doubler, tandis que celle des États-Unis baisse de près de 50%.

Quant à la consommation d'éthanol, l’Europe et l’Amérique du Nord s’attendent à un niveau de croissance de 20 %, tandis qu’elle reste stable et semble même diminuer en Amérique Latine. En plus des facteurs économiques négatifs persistants, certains pays attendent la mise au point des critères de durabilité par la Commission Européenne pour développer leur marché.

III-4-5 - Facteurs influençant l'évolution du marché

Le marché des biocarburants poursuit sa croissance malgré le ralentissement des soutiens publics et des phénomènes conjoncturels : retard de sortie des normes nationales de mélange en adéquation avec les motorisations actuelles, fiscalité peu favorable au biodiesel en Allemagne... Cela entraîne une baisse du taux d'utilisation des capacités industrielles européennes de biodiesel, qui atteint 44 % au premier semestre 2011 en Europe.

Le développement effréné du début des années 2000 s'en trouve ralenti mais la production et la consommation restent globalement soutenues grâce aux politiques de déploiement des énergies renouvelables dans les transports et du maintien des aides publiques (défiscalisation à la vente, soutien direct ou indirect à la production des matières premières ou à l'investissement dans les unités de fabrication, obligation d'incorporation dans les carburants).

III-4-6 - Consommation des biocarburants

Deuxième consommateur européen de biocarburants, la France présente le taux d'incorporation de biocarburants le plus élevé : près de 7 %, notamment grâce au bioéthanol E10 [Figures 21 & 22].

	Figure 21 - Évolution des ventes et du nombre de stations-service commercialisant l'E10 en France [IFP Énergies nouvelles]

	Figure 22 - Répartition de la consommation de biocarburants en France en 2011 [ Commissariat général au développement durable]

Aujourd’hui, tous les carburants distribués à la pompe en France contiennent en partie des biocarburants [Tableau 5].

Tableau 5 - Taux d'incorporation des biocarburants en France

Le superéthanol E85 est commercialisé en Autriche, France, Hongrie, Pologne, République Tchèque et Suède via un standard national. En ce qui concerne le biodiesel, l’utilisation du B10 est à l’étude, tandis que le gazole B30 est utilisé en flottes captives (bus, benne à ordures, flotte de véhicules de l’État, etc.).

	Figure 22 - Évolution de la consommation de biocarburants en PJ/an dans les pays de l'UE

L’Union Européenne vise l'incorporation de 10% de biocarburant dans le transport d’ici 2020.

Les biocarburants actuellement commercialisés sont essentiellement de 1^re génération. Leur développement se trouve limité par la disponibilité des ressources agricoles et par les critères de durabilité retenus dans les réglementations en cours et à venir sur les émissions de gaz à effet de serre notamment. La 2^e génération de biocarburants, produits à partir de biomasse lignocellulosique, devrait bientôt passer au stade industriel avec une filière plus durable car elle ne concurrence pas les ressources agroalimentaires. Par la suite, elle devrait être complétée et améliorée par la 3^e génération : les algocarburants. Cependant, d'après des estimations, les coûts de production – plus de 5€ le litre – sont beaucoup plus élevés aujourd'hui que ceux des biocarburants des deux autres générations.

III-4-6 - Étude prévisionnelle du marché des biocarburants avec l’influence de l’évolution du prix du pétrole

	Figure 23 - Prévision de la production de pétrole (graphique de gauche) et de la production de carburants dit non-conventionnels (à droite) en millions de barils/jour [International Energy Agency]

La production mondiale de carburants conventionnels est d’environ 30 milliards de barils par an soit 40 fois plus que la production de biocarburants. Elle n’augmentera que faiblement par rapport à la production mondiale de carburants non conventionnels. En particulier, la production de biocarburants est susceptible d’augmenter fortement d’ici 2035 (multipliée par 3,5). Cependant, il faut prendre en compte l’évolution du prix du pétrole pour prévoir l’évolution du marché des biocarburants puisqu’il rendra les biocarburants rentables dans un futur plus ou moins proche.

Différents scénarios concernant l’évolution du prix du baril de pétrole [Figures 24 & 25]

	Figure 24 - Trois scénarios concernant l'évolution du prix du baril de pétrole

	Figure 25 - Production de carburants non-conventionnels en 2035 en fonction du prix du pétrole (million de barils/jour) [International Energy Agency]

La production de carburants non-conventionnels augmente de 45% dans le cas d’un pétrole cher et, à l’inverse, diminue de 17% dans le cas d’un pétrole moins cher que la référence.

Intéressons-nous au cas de référence.

Production mondiale de biocarburants actuelle et en projection jusqu’en 2035 ainsi que les producteurs principaux [Tableau 6].

	Tableau 6 - Production de biocarburants par pays et place des biocarburants parmi les carburants non-conventionnels (millions de barils/jour) [International Energy Agency]

Les biocarburants constituent et constitueront l’une des principales parts de marché des carburants non-conventionnels. Les producteurs principaux restent les États-Unis et le Brésil.

Influence du prix du pétrole sur la production de biocarburants [Tableau 7].

	Tableau 7 - Production mondiale de biocarburants pour un prix bas ou élevé du pétrole (million de barils/jour) [International Energy Agency]

Dans le cas d’un prix élevé du pétrole, la variation annuelle moyenne de production de biocarburants mondiale augmente de 31% par rapport à la production avec un prix du pétrole de référence. Tandis qu’un faible prix du pétrole entraîne une baisse de 25%.

IV - Perspectives

IV-1 - Diagnostic stratégique

IV-1-1 - Analyse stratégique des biocarburants

Tableau 8 - Analyse stratégique des biocarburants (matrice SWOT)

Le temps qui passe joue en faveur des opportunités associées aux biocarburants. En effet, les réglementations devraient continuer à évoluer en leur faveur tout comme la volonté de remplacer les produits pétroliers.

IV-1-2 - Analyse stratégique des algocarburants

Tableau 9 - Analyse stratégique des biocarburants de 3^e génération en France par rapport aux autres générations (matrice SWOT)

L'essor des algocarburants nécessite le développement des microalgues et de procédés afin d’améliorer leur culture, leur récolte, leur transformation et leur valorisation.

Des recherches sont en cours afin de réduire les coûts et d'envisager une production à grande échelle. Il demeure en effet des défis scientifiques et économiques à relever :

• Sélectionner en laboratoire des souches robustes et à forte teneur en lipides.
• Développer des procédés de culture optimisés assurant une productivité élevée sur de longues périodes et pour de gros volumes.
• Développer des procédés de séparation eau/biomasse (concentration en biomasse de l'ordre de 1%) et d'extraction de l'huile moins énergivores pour atteindre une balance énergétique positive.
• Trouver des marchés de valorisation pour les co-produits.

Aujourd'hui, les résidus des microalgues ne sont utilisés que comme compléments pour l’alimentation animale. Toutefois, des applications à haute valeur ajoutée et en petits volumes utilisant les microalgues entières voient le jour : cosmétiques ou compléments nutritionnels par exemple. Ces produits laissent entrevoir des possibilités de valorisation des résidus de la filière des algocarburants.

	Tableau 10 - Microalgues produites commercialement, quantités, localisations, applications et valeur du marché en 2004 [Renewable and Sustainable Energy Reviews]

Une autre voie de valorisation serait d'utiliser les biopolymères (cellulose, protéines) contenus dans ces résidus. Toutefois, la recherche en est encore à ses balbutiements. Début 2013, un groupe de chercheurs japonais – de l'Université de Miyazaki, du National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) et du Smart Energy Research Laboratories de NEC Corporation, grâce à un financement de la Japan Science and Technology Agency (JST) – a développé un film bioplastique à base de polymères issus de microalgues. Dans l’hypothèse où la production d’algocarburants attendrait un tonnage important, il serait également envisageable d’employer cette biomasse résiduelle comme source de matière organique pour la production de biocarburants de 2^e génération (éthanol).

Pour développer les biocarburants de 3^e génération, des stratégies doivent être appliquées à différents niveaux. Aux pouvoirs publics d’instaurer des réglementations visant à lutter contre les problèmes environnementaux et d’anticiper la pénurie de carburants. Les centres de recherche et les producteurs, quant à eux, doivent optimiser les procédés d’obtention de biocarburants et sélectionner les espèces d’algues les plus performantes. Enfin, les clients – groupes pétroliers et industries utilisatrices de carburants – doivent anticiper les normes, se doter d’une bonne image écologique et se placer sur les nouveaux produits avant leurs concurrents.

IV-2 - Scénarios

L’accroissement de la population mondiale, la diminution des réserves de ressources fossiles et la réalité des changements climatiques rendent la recherche de nouvelles sources d'énergie particulièrement urgente.

L’Union Européenne a ainsi créé le paquet Énergie-Climat dont les objectifs d'ici 2020 sont :

• Augmenter de 20% l'efficacité énergétique.
• Réduire de 20% les émissions de gaz à effet de serre (GES).
• Atteindre une part de 20% d'énergies renouvelables dans la consommation totale d'énergie.
• Atteindre une part de 10% de biocarburants dans la consommation d'énergie dans les transports.

IV-2-1 - Scénario 1 - En 2030, les biocarburants de 3^e génération à base de microalgues représentent 40% de la production de biocarburants

Les objectifs les plus optimistes de production et de consommation de biocarburants établis par l’Agence Internationale de l’Énergie sont réalisés. Ceci est dû notamment aux taux d’incorporation des biocarburants fixés par les instances dirigeantes de chaque pays qui sont atteints grâce à l’utilisation de la 3^e génération.

La Commission Européenne standardise le biodiesel E10 comme principal carburant pour l’ensemble des états membres en 2013. Une normalisation européenne du bioéthanol E85 est mise en place. De ce fait, la France comme tous les états de l'Union européenne incorporent environ 8 % (en énergie) en 2020.

Le marché des biocarburants de 1^re génération se développe jusqu’en 2015 puis est supplanté par la 2^e génération. La 3^e génération a fait son entrée sur le marché des biocarburants dans les années 2020. Fermentalg devient le leader français dans le domaine des algues grâce à l’expertise de la plateforme biotechnologique HélioBiotec.

Les parts de marché des algocarburants augmentent rapidement. En effet, plusieurs souches de microalgues, en particulier la Spiruline et la Chlamydomonas reinhardtii, sont exploitées pour leurs performances, les moyens de production sont optimisés et les bilans énergétique et environnemental sont positifs. Les nombreux partenariats entre les centres de recherche et les industriels sont très fructueux.

Les microalgues sont cultivées selon divers systèmes :

• Culture en eau de mer : les réacteurs sont installés dans des baies en association avec d’autres moyens de production d’énergie renouvelable (panneaux solaires et éoliennes).
• Culture dans des raceways permettant la circulation en boucle de la culture d'algues.
• Culture dans des photobioréacteurs lorsque les contraintes de place sont importantes et pour optimiser la production sur un minimum d’espace.

Probabilité de réalisation : 30%

IV-2-1 - Scénario 2 - En 2020, les algocarburants ne sont toujours pas prêts à être mis sur le marché

Les objectifs de production et de consommation de biocarburants sont atteints grâce à la 1^re génération et au développement de la 2^e génération mais les biocarburants de 3^e génération à base de microalgues ne sont pas encore industrialisés.

Le marché des biocarburants de 1^re génération se développe jusqu’en 2015 puis est supplanté par la 2^e génération. La 3^e génération ne réussit pas à entrer sur le marché des biocarburants. En effet, les partenariats entre les industriels et les centres de recherche ne suffisent pas à financer la recherche qui est plus coûteuse que prévu car de nombreux verrous technologiques surgissent au début des années 2010.

Le prix des algocarburants n’est pas encore compétitif mais la recherche avance et l’étape de pré-industrialisation de ces biocarburants de 3^e génération devrait se réaliser d’ici 2025.

Probabilité de réalisation : 60%

IV-2-1 - Scénario 3 - En 2020, la filière des biocarburants de 3^e génération est abandonnée

La faible augmentation du prix du pétrole et les nombreux verrous technologiques rendent les bilans énergétiques de la filière des biocarburants de 3^e génération médiocres. En conséquence, les industriels s'en désengagent pour recentrer leurs investissements sur la filière des biocarburants de 2^e génération.

La filière microalgues se limite alors aux applications connues dans les années 2010 : compléments alimentaires et cosmétiques. Les plateformes biotechnologiques ferment leur portes et les sociétés déposent le bilan.

Probabilité de réalisation : 10%

IV-3 - Analyse des risques

	Cliquer sur l'image pour télécharger le tableau Tableau 11 - Analyse prévisionnelle des risques

La filière microalgues est soumise à des risques aussi bien internes qu’externes. Les risques principaux concernent la phase d’élaboration puisque la production n’en est qu’au début des essais en pilote. Cette phase concentre les problèmes techniques et économiques. En effet, la recherche est moins visible à ce stade et, par conséquent, attire moins d’investisseurs ou de subventions. En outre, le changement d’échelle provoque toujours des problèmes techniques qui peuvent réduire les rendements obtenus en laboratoires ou déprécier le bilan énergétique. Le rôle des industriels est donc crucial et il est nécessaire que leur volonté d’innover dans cette filière soit pérenne et marquée.

Le désengagement des pouvoirs publics semble moins probable étant donné le contexte de crise énergétique.

V - Conclusion

Les biocarburants de 3^e génération à base de microalgues ou algocarburants sont prometteurs et présentent de nombreux avantages par rapport aux biocarburants issus de plantes terrestres. Toutefois, avant que la production de microalgues puisse jouer un rôle compétitif dans l’industrie des combustibles, la recherche scientifique doit être poursuivie afin de lever les verrous techniques et économiques qui handicapent leur développement. De plus, des démonstrations à grande échelle doivent être réalisées pour prouver le potentiel de cette industrie de la microalgue.

Cependant, les biocarburants, toutes générations confondues, ne seront pas en mesure de satisfaire la totalité de la demande en carburants de façon équivalente aux tonnages de combustibles fossiles produits. L'une des solutions possibles est alors la symbiose de technologie : cette méthode, déjà opérationnelle, permet d’améliorer le bilan environnemental.

Par exemple, en 2009, la start-up américaine Sapphire Energy a mis au point l’Algaeus, une Prius hybride roulant à l’électricité et à l’algocarburant. La voiture a fait un circuit de démonstration de 6000 km, de San Francisco à New York. La même année, un Boeing 737-800 de Continental Airlines a effectué un vol d'essai de 90 minutes de Houston vers le Golfe du Mexique et la Louisiane avec dans ses réservoirs 50% de kérosène et 50% d'un mélange de biocarburants jatropha et algues.

	Vidéo 2 - Sapphire Energy's Algaeus - Algae-powered Prius takes the Capitol [YouTube]

VI - Bibliographie - Webographie

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