La troisième génération

L'hydrogène

Production

L'hydrogène est actuellement produit à partir de gaz naturel, paradoxe pour un carburant non polluant car il est produit à partir d'une source non renouvelable, ce qui rend l'utilisation de l'hydrogène non viable pour le moment.

Il existe néanmoins un moyen de produire de l'hydrogène à partir de micro-algues Chlamydomonas reinhardtii, qui, en l'absence de soufre, diminuent leur processus de photosynthèse pour mettre en place une production d'hydrogène. Ce processus est à l'étude pour pouvoir obtenir des moyens de production à grande échelle.

Utilisation

L'hydrogène peut être utilisé de deux différentes façons, à savoir, dans un moteur à combustion interne ou dans un moteur à pile à combustible.

L'utilisation de l'hydrogène dans un moteur à combustion consiste à brûler l'hydrogène, produisant non pas du gaz carbonique mais de l'eau et des oxydes d'azote. Cette utilisation de l'hydrogène peut donc permettre à grande échelle la réduction de gaz à effet de serre, mais aussi la réduction de l'utilisation du pétrole, et ainsi, ralentir l'épuisement de nos réserves. Il existe cependant deux inconvénients majeurs à cette utilisation. Ces inconvénients sont tout d'abord la production d'hydrogène qui est pour l'instant non renouvelable ; mais aussi le stockage, car, pour un même volume d'hydrogène et d'essence, l'hydrogène fournit moins d'énergie que l'essence. Il faudrait, pour conserver l'autonomie actuelle de nos véhicules, embarquer des réservoirs de plusieurs centaines de litres à la place de la cinquantaine habituelle.

La pile à combustible, quant à elle, fonctionne en deux compartiments. Un compartiment d'hydrogène gazeux, l'autre d'air, reliés entre eux par des électrodes imprégnées de platine. Quand l'hydrogène rentre en contact avec le platine, il se dissocie et laisse des électrons voyager dans le circuit entre les deux électrodes, créant ainsi un courant électrique. Ce système a pour avantage d'avoir 45% de l'énergie chimique de l'hydrogène transformé en énergie électrique, contrairement au moteur à combustion interne qui ne transforme que 25% de l'énergie. Cette réaction crée de l'eau, qui peut, à son tour, retourner à l'état d'hydrogène et d'oxygène par électrolyse. Cela permet de voir l'hydrogène comme un moyen de stockage d'énergie.

Bilan

Bien que l'hydrogène soit un carburant non polluant, il reste plusieurs facteurs décisif à la non-utilisation de l'hydrogène. Sa production n'est pas renouvelable pour l'instant, et sa combustibilité le rend dangereux pour un usage à grande échelle.

Les algues

Les algues sont des organismes autotrophes (c'est à dire étant capable de puiser dans les minéraux pour créer de la matière organique), photosynthétiques vivant en milieu aquatique. On distingue plusieurs type d'algues, les macro-algues ou algues pluricellulaires et les micro-algues ou algues unicellulaires.

La diversité des micro-algues est très peu exploitée. Sur un million d’espèces estimées, environ 30 000 ont été étudié. Cependant, on utilise déjà ces algues dans l'alimentaire, les cosmétiques, les fertilisants et bientôt dans nos biocarburants grâce à leur potentiel énergétique trouvé dans leur production d'amidon (source de bioéthanol), mais surtout, dans leur production de lipides (source de biodiesel).

Culture des algues

La culture des macro-algues est aujourd'hui impossible. Ceci est dû à l'impossibilité de cultiver dans des conditions offshore. La culture offshore présente aujourd'hui des problèmes scientifiques, technologiques et économiques. Il faut dans un premier temps développer nos connaissances sur les macro-algues, plus particulièrement sur leur physiologie, mais aussi sur des technologies de cultures offshore.

Il existe trois modes de culture pour les micro-algues :

> Les Bassins ouverts

Le système de production d'algues le plus classique et le plus ancien est celui du bassin à ciel ouvert. Il consiste à reproduire les conditions naturelles de développement des algues dans un bassin. Le modèle de bassin le plus courant et ayant la meilleure productivité est le bassin de type « raceway ». C'est un bassin profond de quelques dizaines de centimètres, agencé en une longue boucle. Il est brassé mécaniquement pour assurer une homogénéité de la culture. Ces bassins sont branchés en deux endroits, assurant ainsi une arrivée de culture fraîche et un prélèvement de la récolte. Les éléments nutritifs sont aussi apportés pour une croissance optimale des algues. Le CO2 nécessaire au développement des algues est apporté par bullage, bien que son transfert dans la phase liquide soit souvent mauvais, dû à la profondeur des bassins.

> Les Photobioréacteurs

Le photobioréacteur est un système clos où se déroule une réaction biochimique de photosynthèse ayant pour but de produire de la biomasse végétale. Le photobioréacteur est conçu pour contrôler cette réaction en influant sur plusieurs facteurs comme l'exposition à la lumière ou l'apport en gaz carbonique. Mais l'influence sur ces facteurs a surtout pour but de garder une production constante de biomasse micro-algale. La principale difficulté est de garder une homogénéité du milieu ; en particulier, dans l'apport en lumière au niveau de chaque cellule, car l'intensité lumineuse diminue rapidement dès que l'on s'éloigne de la périphérie du réacteur. Ce problème aboutit à la non croissance des micro-algues se trouvant au centre du réacteur. Les chercheurs ont donc établit des systèmes ayant un rapport surface/volume élevé. Le photobioréacteur tubulaire est un exemple (ci-joint) avec ses cultures de micro-algues circulants dans des tubes de faible épaisseur. Les réacteurs peuvent être solaires ou artificiel. Le seul inconvénient du solaire est sa variabilité d'intensité en fonction de l'heure de la journée et de la saison.

Le système mixte

Il est possible de combiner les deux systèmes précédents en produisant des micro-algues dans le photobioréacteur pour ensuite les déverser dans un bassin où la culture est réalisée. Cet hybridation des deux techniques permet de maximiser les points forts tout en palliant à leurs faiblesses.

> La culture hétérotrophe

La culture hétérotrophe se base, quant à elle, non pas sur la lumière, mais sur un substrat carboné de type sucre (par exemple : déchets et sous-produits de sucreries). Cela rapproche cette culture de la fermentation par son utilisation de bioréacteurs fermés, semblables à des fermenteurs. Cette méthode a aussi l'avantage de ne pas avoir à utiliser de micro-algues particulières. Elle a de hauts niveaux de productivités.

Bien que la culture en bassin ouvert soit aujourd'hui la plus répandue, elle reste néanmoins difficile à mettre en place sans aucun problème lié au milieu. Le photobioréacteur, quant à lui, consomme plus d'énergie mais il est plus rentable d'une certaine manière. Il y a moins de nutriments utilisés, moins d'eau (pas d'évaporation) et surtout il n'y a pas de contamination par d'autres espèces moins productives en huile. La culture hétérotrophe semble, quant à elle, être plus productive bien qu'elle ne soit encore qu'au stade d’expérimentation.

Transformation

Les micro-algues doivent subir une transformation avant de pouvoir être utilisable, ou plutôt, avant que leur huile soit utilisable. Cette transformation se fait par pyrolyse, gazéification ou par extraction d'huile. Les rendements observés utilisables pour la production de biodiesel se situent entre 20 et 50% du poids sec des algues. Il existe chez certaines espèces, avec des conditions de culture particulières, des rendements de 90%. Ces rendements sont cependant associés à un faible taux de croissance algale. Il est possible de calculer la productivité moyenne d'un hectare en prenant la production moyenne de biomasse d'algue par jour qui est de 20g/m²/jour à 20% d'huile(poids sec). On obtient une productivité de 20000 l d'huile/ha/an, ce qui donne environ 4 fois les meilleurs rendements des meilleures cultures de première génération utilisé es pour la production de biocarburant.

Bilan

La production d'énergie à travers les micro-algues présente de nombreux avantages. Tout d'abord, dans la production de biocarburants où les rendements sont nettement supérieurs aux cultures actuelles (environ 4 fois les rendements d'huile de palme et plus de 10 fois les rendements d'huile de colza et tournesol pour une même surface). Les micro-algues ont aussi l'avantage de pouvoir être cultivées sur de petites surfaces et n'entrent donc pas en concurrence avec la production alimentaire. Les micro-algues ont aussi l'avantage de pouvoir purifier l'eau en se servant comme nutriments, de nitrates ou de phosphates, et servent aussi de dépolluant en utilisant le CO2 produit par l'industrie pour leur croissance.