Biocarburants de dernière génération et recherches sur les algues : objectif de disposer de la capacité technique pour produire 10 000 barils par jour d’ici 2025

En 2012, des chercheurs du MIT, ExxonMobil et SGI ont publié une évaluation des biocarburants algiques dans la revue scientifique Science and Technology, qui a conclu que, si les obstacles clés à la recherche sont surmontés, les biocarburants algiques produiront environ 50 % moins d’émissions de gaz à effet de serre par cycle de vie en comparaison du carburant dérivé du pétrole. En revanche, il existe un véritable débat dans la communauté de recherche universitaire concernant l’empreinte carbone des biocarburants de première génération, que l’EPA définit comme ceux générés par les cultures comestibles (comme le maïs). De nombreux articles évalués par des pairs dans la littérature scientifique suggèrent que les émissions de GES du cycle de vie direct sont inférieures à celles des combustibles fossiles, mais que les conséquences indirectes du développement des biocarburants de première génération, y compris les changements dans l’utilisation des terres agricoles et forêts, peuvent entraîner des émissions de GES totales plus élevées que les carburants dérivés du pétrole.

Pour ces raisons, ExxonMobil poursuit des recherches dans des biocarburants de deuxième génération afin de déterminer comment ils peuvent mieux convenir à notre futur énergétique. Les biocarburants de deuxième génération sont définis comme ceux produits par des cultures non comestibles, des résidus de cultures ou du gaz généré biologiquement, et ne sont donc pas prélevés de la nourriture totale ou de l’approvisionnement en eau douce. Par exemple, les algues, les cannes de maïs, le panic raide ou le méthane émis par l’activité microbienne dans les décharges.

Portefeuille de recherche en biocarburants

Nous finançons un vaste portefeuille de programmes de recherche sur les biocarburants, incluant nos efforts continus sur les algues, ainsi que des programmes sur la conversion de matières premières de biomasse alternatives non alimentaires, telles que la biomasse cellulosique, ainsi que sur les biocarburants avancés. Nous sommes convaincus que notre travail avec des algues offre une des options les plus prometteuses pour les biocarburants de prochaine génération, c’est pourquoi ExxonMobil a engagé des centaines de millions de dollars dans la recherche sur les algues. Nous travaillons avec des scientifiques de grande renommée et avons conçu notre portefeuille de recherche en vue de faire progresser les sciences que nous jugeons nécessaires pour fournir des biocarburants avancés disposant d’avantages environnementaux.

Notre portefeuille de recherche de biocarburants avancés comprend des collaborations de recherche conjointe axées sur des biocarburants basés sur des algues avec Synthetic Genomics, Inc. (SGI), la Colorado School of Mines et l’état du Michigan. Nous explorons également divers procédés de conversion de la biomasse qui pourraient être utilisés avec des matières premières non alimentaires telles que la biomasse cellulosique entière, les réserves d’algues et les sucres dérivés du cellulose. Ces programmes sont actuellement menés avec le Renewable Energy Group (REG) et l’Université du Wisconsin.

Algues pour la production de biocarburants

Avantages de l’utilisation d’algues

Les algues représentent une amélioration significative par rapport aux sources de biocarburants alternatives pour plusieurs raisons :

• Contrairement à la production d’éthanol et de biodiesel, la production d’algues ne concurrence pas les sources de nourriture, ce qui rendrait le dilemme alimentation versus carburant plus compliqué encore.
• Comme les algues peuvent être produites dans de l’eau saumâtre, y compris l’eau de mer, leur production n’affectera pas les ressources d’eau douce comme dans le cas de l’éthanol.
• Les algues consomment du CO2, et sur une base de cycle de vie, ont un profil d’émissions beaucoup plus faible que l’éthanol de maïs étant donné l’énergie utilisée pour fabriquer un engrais, distiller l’éthanol, pour la ferme et pour transporter ce dernier.
• Les algues peuvent produire plus de biocarburants par hectare que les biocarburants à base de plantes, actuellement environ 1 500 gallons par hectare par an. C’est presque cinq fois plus de carburant par hectare qu’avec la canne à sucre ou le maïs.

Nous savons également que les algues peuvent être utilisées pour fabriquer des biocarburants similaires à ceux des carburants de transport d’aujourd’hui. 

Croissance des algues

Les algues peuvent fournir une source non alimentaire diverse et très désirable de molécules renouvelables importantes qui peuvent être utilisées pour produire des biocarburants de deuxième génération. Certaines souches d’algues peuvent être optimisées pour produire des précurseurs de biodiesel. D’autres souches algues peuvent être optimisées comme source de sucres fermentables, avec des compositions similaires à celles dérivées des grains de maïs utilisés pour fabriquer des biocarburants de première génération comme l’éthanol.

Recherche de base sur la biologie des algues avec Synthetic Genomics

Aujourd’hui, ExxonMobil et SGI mènent un programme de recherche de base pour développer des biocarburants avancés provenant d’algues. Cet effort commun vise à disposer de la capacité technique de produire 10 000 barils de biocarburants algues par jour d’ici 2025. Notre objectif est de développer des options de biocarburants algues avancés et d’identifier les meilleures voies pour rendre ces technologies révolutionnaires accessibles aux consommateurs. Le programme s’appuie sur les nombreuses informations que nous avons obtenues et sur les progrès que nous avons réalisés depuis que nous avons annoncé notre alliance initiale avec SGI en 2009.

À l’aide des technologies d’ingénierie cellulaire avancées à Synthetic Genomics, l’équipe de recherche ExxonMobil-Synthetic Genomics Genomics a récemment modifié une souche d’algue afin d’améliorer le contenu de pétrole de l’algue de 20 % à plus de 40 %. Afficher les résultats de la recherche dans le journal scientifique Nature Biotechnology.

Des chercheurs du laboratoire de Synthetic Genomics de La Jolla ont découvert un nouveau processus pour augmenter la production de pétrole en identifiant un interrupteur génétique qui pourrait être ajusté de façon à réguler la conversion du carbone en pétrole dans l’espèce d’algue : Nannochloropsis gaditana. L’équipe a établi une approche de preuve de concept qui a permis à l’algue de doubler sa fraction lipidique de carbone cellulaire par rapport au parent, tout en favorisant la croissance.

« Cette étape clé de notre programme de biocarburants avancés confirme notre conviction que les algues peuvent être incroyablement productives en tant que source d’énergie renouvelable avec une contribution positive correspondante à notre environnement », a déclaré Vijay Pallup, vice-président de la recherche et du développement chez ExxonMobil Research and Engineering Company. « Notre travail avec Synthetic Genomics continue d’être une partie importante de notre recherche plus vaste dans les technologies à faibles émissions afin de réduire le risque de changement climatique ».

Les algues ont été considérées comme une option de carburant durable, mais les chercheurs ont été entravés au cours de la dernière décennie dans le développement d’une souche avec un contenu de pétrole élevé et se développant rapidement – deux caractéristiques essentielles pour une production de pétrole évolutive et rentable. Une croissance plus lente a été un effet indésirable des tentatives précédentes d’augmentation du volume de production de pétrole des algues. 

L’un des objectifs clés de la collaboration entre ExxonMobil et Synthetic Genomics a été d’augmenter le contenu lipidique des algues tout en diminuant l’amidon et les composants protéiques sans inhiber la croissance des algues. La limitation de la disponibilité des nutriments, comme l’azote, est une façon d’augmenter la production de pétrole dans les algues, mais elle peut également inhiber considérablement ou même arrêter la photosynthèse, retarder la croissance des algues et finalement le volume de pétrole produit.

La capacité à soutenir la croissance tout en augmentant le contenu de pétrole est un progrès important. Les algues ont d’autres avantages par rapport aux biocarburants traditionnels, du fait qu’elles peuvent croître dans de l’eau salée et s’épanouir dans des conditions environnementales extrêmes, limitant ainsi le stress sur les ressources alimentaires et d’eau douce.

Le pétrole provenant d’algues peut également être traité dans des raffineries conventionnelles, produisant des carburants qui ne sont pas différents du diesel énergétiquement dense et pratique. Le pétrole produit par les algues présente également un potentiel pour la fabrication de produits chimiques.

Depuis 2009, ExxonMobil et Synthetic Genomics ont été partenaires dans la recherche et le développement de pétrole provenant d’algues, à utiliser comme une alternative renouvelable et à faibles émissions aux carburants de transport traditionnels. Swarup a déclaré que, bien que la percée soit une étape importante, la technologie est encore à des années de sa mise sur le marché

Le défi de recherche

Nous sommes confrontés à des obstacles techniques significatifs avant que la production de biocarburants provenant des algues ne soit possible à une échelle commerciale significative. Pour surmonter ces défis, nous travaillons à répondre à certaines questions de base telles que :

• Pourquoi les algues utilisent-elles une quantité relativement faible de l’énergie lumineuse disponible ?
• Quels outils peuvent être utilisés pour améliorer l’efficacité de l’utilisation de la lumière des algues et améliorer les caractéristiques de production ?
• Comment développer un organisme qui produira beaucoup plus de pétrole biologique ?

Le défi central est que les algues récoltent naturellement beaucoup plus de lumière qu’elles ne peuvent convertir efficacement en biocarburants. Seule une quantité fixe de lumière atteint la surface d’un étang, et notre objectif est que les algues utilisent cette lumière aussi efficacement que possible. La quantité de lumière solaire gaspillée varie considérablement selon les espèces d’algues et les conditions de croissance, mais peut atteindre 80 pour cent ou plus. ExxonMobil et SGI mènent des recherches fondamentales pour réduire la quantité de lumière solaire gaspillée et augmenter la productivité de la biomasse en améliorant l’efficacité photosynthétique des cellules d’algue individuelles. Pour atteindre cet objectif, l’équipe SGI s’efforce de créer des cellules d’algue qui absorberont uniquement la quantité de lumière qu’elles peuvent utiliser efficacement.

La recherche et le développement des biocarburants à base d’algues constituent un effort à long terme. Nous avons beaucoup appris depuis qu’ExxonMobil et SGI ont commencé à travailler ensemble, et nous continuons à construire les outils biologiques, capacités et connaissances nécessaires pour surmonter les obstacles techniques.

Le défi de l’échelle

Selon Swarup, « Nous savons que certains types d’algues produisent des bio-huiles. Le défi est de trouver et de développer des algues qui peuvent produire des bio-huiles à grande échelle de manière rentable. »

Cela nécessitera une quantité importante d’algues pour produire suffisamment de carburant pour satisfaire une petite partie de la demande en carburant des transports routiers américains. La population et les économies continueront à croître avec la demande énergétique et les émissions de CO2. Chez ExxonMobil, nous reconnaissons qu’un ensemble intégré de solutions sera nécessaire pour accroître l’efficacité, développer l’approvisionnement et atténuer les émissions. Les percées technologiques seront des biocarburants critiques et basés sur des algues pouvant contribuer à cet ensemble de solutions.

L’objectif ultime est d’avoir des biocarburants à base d’algues traités dans nos raffineries pour compléter les stocks d’essence, de diesel, de carburants d’aviation et de carburants marins conventionnels

Qu’est-ce qui vient ensuite dans la recherche sur les biocarburants avancés ?

ExxonMobil s’engage dans une large gamme de recherches sur les biocarburants avancés, en partenariat avec des universités, des laboratoires gouvernementaux et d’autres entreprises. La demande mondiale en énergie liée aux transports devrait augmenter d’environ 25 % en 2040, et accélérer la réduction des émissions du secteur des transports jouera un rôle essentiel dans la réduction des émissions mondiales de gaz à effet de serre.

ExxonMobil recherche également activement d’autres technologies réduisant les émissions, y compris la capture et la séquestration du carbone. En 2016, ExxonMobil a annoncé son partenariat avec FuelCell Energy, Inc. dans le Connecticut pour faire avancer l’utilisation des piles à combustible à carbonate afin de capturer économiquement les émissions de carbone des centrales électriques tout en générant de l’hydrogène et de l’électricité supplémentaire. Depuis 2000, ExxonMobil a dépensé environ 8 milliards de dollars pour développer et déployer des solutions énergétiques à faibles émissions dans toutes ses opérations.

La poursuite de cette voie implique un investissement considérable en temps, argent et expertise scientifique afin de relever les défis importants associés au développement de biocarburants avancés économiques à grande échelle. De plus, les prédictions sur la réussite sont difficiles et dépendent directement du rythme de l’innovation technologique. Cela pourrait prendre des décennies ou plus pour que les biocarburants avancés atteignent une échelle qui bénéficierait de manière significative au secteur des carburants de transport.

Nous continuons à évaluer nos meilleures options pour la recherche continue en biologie des algues dans le cadre de notre portefeuille élargi de programmes de recherche et développement de biocarburants au-delà des algues.

Recherche cellulosique avec REG

Nous avons conclu un accord avec Renewable Energy Group Inc. pour étudier la production de biodiesel en fermentant des sucres cellulosiques provenant de sources telles que les déchets agricoles. REG a développé une technologie brevetée qui utilise des microbes pour convertir les sucres en biodiesel avec un processus de fermentation en une étape similaire à la fabrication d’éthanol. Les recherches d’ExxonMobil et REG Life Sciences se concentreront sur l’utilisation de sucres provenant de sources non alimentaires. 

REG a une longue histoire d’innovation dans la production de biocarburants avancés provenant de sources de déchets à plus faible teneur en carbone. Au cours des recherches, les deux entreprises vont relever le défi concernant la manière de faire fermenter des sucres cellulosiques renouvelables réels, contenant plusieurs types de sucres, y compris le glucose et la xylose, mais également des impuretés qui peuvent inhiber la fermentation. 

Notre premier défi consiste à déterminer la faisabilité technique et les avantages environnementaux potentiels au cours de la recherche initiale. Si les résultats sont positifs, nous pouvons ensuite passer à l’étape suivante et explorer le potentiel d’étendre nos efforts et d’explorer l’évolutivité.