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Biocarburants avancés

ExxonMobil continue à financer et à effectuer des recherches sur les carburants avancés. Ce travail se place dans le cadre de nos nombreux investissements dans de nouvelles technologies qui, dotées d’un potentiel transformateur, pourraient augmenter la fourniture d’énergie, réduire les émissions et rendre nos opérations plus efficientes. 

Nous finançons une large plage de programmes de recherche sur les biocarburants qui englobent notre étude des algues, ainsi que la conversion de matières premières de biomasse non alimentaires, à savoir la biomasse cellulosique, en biocarburants avancés. Nous pensons que des améliorations fondamentales de la technologies et de nouvelles percées scientifiques sont nécessaires en matière d’optimisation de la biomasse et de sa transformation en carburant.  Plus précisément, des avancées scientifiques sont nécessaires pour assurer une utilisation rentable et plus répandue des biocarburants et les produire avec les avantages environnementaux souhaités, à savoir des émissions de GES plus réduites au cours du cycle de vie. Dans ce type de recherches susceptibles d’être à l'origine de percées scientifiques, les premières étapes cruciales sont la compréhension des difficultés à surmonter et leur décomposition en plusieurs questions plus aisées à résoudre scientifiquement. 

Les scientifiques et les ingénieurs travaillant en université, dans les laboratoires d’état et dans les entreprises étudient actuellement une large gamme de matières premières et de processus permettant de mettre au point des biocarburants avancés.   Nous collaborons avec certains de ces scientifiques et nous avons composé notre portefeuille de recherche pour aider au progrès de la discipline scientifique que nous estimons nécessaire pour produire des biocarburants dotés d’avantages environnementaux.

Notre portefeuille de biocarburants avancés inclut des collaborations de recherche centrées sur les biocarburants à base d’algues avec l'entreprise Synthetic Genomics Incorporated (SGI), l’École des mines de l’État du Colorado et l’État du Michigan. Nous explorons une série de processus de conversion de biomasse pouvant être utilisés avec des matières premières non alimentaires telles que les biomasses cellulosiques entières, algues alimentaires et sucres dérivés de la cellulose. Ces programmes se déroulent actuellement avec le Renewable Energy Group (REG), l’Université de l’Iowa, l’Université du Nord-Ouest et l’Université du Wisconsin.

Les algues 

Les avantages de l’utilisation des algues

Il y a de nombreux avantages à l’utilisation des algues marines pour la production de biocarburants. Les algues peuvent être cultivées sur des terrains inutilisables dans d’autres buts, avec de l’eau impropre à la production d’aliments. En plus de l’utilisation possible de terres non arables et de l’absence du besoin en eau potable, les algues peuvent aussi potentiellement produire de plus grandes quantités de biocarburant à l’hectare que d’autres sources. Nous savons aussi que les algues peuvent être utilisées pour la fabrication de biocarburants de composition semblable à celle des carburants de transport qui sont actuellement utilisés. 

Qui plus est, la culture des algues peut apporter des avantages environnementaux. Les algues, qui consomment du CO2, offrent, contrairement aux carburants traditionnels, un potentiel d'atténuation des émissions atmosphériques. En 2012, des chercheurs de l’Institut de technologie du Massachusetts, ExxonMobil et l'entreprise SGI publièrent une évaluation des biocarburants extraits des algues dans un journal soumis à l'examen collégial, « Environmental Science and Technology ». Dans sa conclusion, cet article affirmait que, si les principales difficultés gênant la recherche étaient éliminées, les biocarburants à base d’algues présentaient la moitié des émissions de gaz à effet de serre sur l'ensemble du cycle de vie de celles générées par les carburants dérivés du pétrole. 

En revanche, un vigoureux débat anime les milieux de la recherche universitaire en ce qui concerne l’empreinte carbone des biocarburants de première génération, ceux que l’agence américaine pour l’environnement définit comme issus de cultures comestibles (telles que le maïs).  Un grand nombre de publications passées en comité de lecture suggèrent que les émissions directes liées au cycle de vie sont inférieures à celles des combustibles fossiles, mais que les conséquences indirectes de la production des biocarburants de la première génération, y compris les changements apportés à l’utilisation des forêts et des terres arables d’utilisation agricole pourraient aboutir à des taux d’émissions atmosphériques supérieurs à ceux des combustibles dérivés du pétrole.  

Pour ces raisons, ExxonMobil poursuit ses recherches dans les biocarburants de deuxième génération, afin de déterminer la manière dont ils pourraient s’insérer dans notre futur énergétique. Les biocarburants de deuxième génération sont définis comme produits de récoltes non comestibles, de résidus de culture ou de gaz se créant biologiquement. Ils ne lèsent donc pas l’apport total des approvisionnements alimentaires. Les exemples comprennent les algues, les cannes de maïs, le miscanthus ou le méthane dégagé par l’activité microbienne dans les champs d’épandage.

La croissance des algues

Les algues peuvent offrir une source variée, non alimentaire et hautement désirable des molécules renouvelables importantes qui peuvent servir de base à la production de biocarburants de deuxième génération. Certaines souches d’algues peuvent être optimisées pour produire des précurseurs du biodiésel. D’autres souches d’algues peuvent, après optimisation, devenir une source de sucres fermentables dont la composition est similaire à ceux qui sont extraits de grains de maïs et servent à la fabrication de biocarburants de première génération comme l’éthanol.

Recherches en biologie fondamentale des algues avec Synthetic Genomics 

ExxonMobil et SGI réalisent actuellement un programme de recherche fondamentale pour élaborer des carburants avancés ♪ partir des algues. Notre objectif est de développer plusieurs options de carburants avancés à base d’algues et de trouver les meilleures méthodes pour mettre ces technologies novatrices au service des consommateurs. Le programme prend pour points de départ les nombreuses perspectives que nous avons gagnées et les progrès accomplis depuis l’annonce de notre alliance avec SGI en 2009. 

Nous aurons à résoudre quelques obstacles techniques significatifs avant que la production de biocarburants à base d’algues ne devienne possible sur une échelle commercialement viable. Afin de vaincre ces difficultés, nous cherchons à répondre à quelques questions fondamentales : 

  • Pourquoi les algues utilisent-elles une portion relativement réduite de l’énergie lumineuse disponible ?
  • Quels sont les outils que nous pouvons utiliser pour améliorer l’utilisation que font les algues de la lumière, et ainsi améliorer les caractéristiques de la production 
  • Comment mettre au point un organisme qui produise une quantité de bio-huile significativement supérieure ?

La principale difficulté est que les algues captent naturellement plus de lumière qu’elles ne peuvent convertir en biocarburants.  Seule une quantité fixe de lumière baigne la surface d’un étang ; nous voulons que les algues utilisent cette lumière la manière la plus efficiente possible. La quantité de lumière gaspillée varie largement selon la souche d’algue et les conditions de culture, mais elle est de l’ordre de 80 % ou plus. ExxonMobil et SGI effectuent des recherches fondamentales visant à diminuer la quantité de lumière gaspillée et augmenter la productivité de biomasse en perfectionnant l’efficacité de la photosynthèse effectuée par de chacune des cellules de l’algue. Pour atteindre cet objectif, l’équipe de SGI travaille à la conception d’une algue qui absorbe uniquement la quantité de lumière qu’elle est capable d’utiliser efficacement.

La recherche et le développement de biocarburants à base d’algues est une œuvre de longue haleine. Nous avons accumulé beaucoup de connaissance depuis le début de la collaboration entre ExxonMobil et SGI et nous continuons à créer les outils biologiques, les capacités, à accumuler les connaissances nécessaires pour surmonter les obstacles techniques.

Le défi : produire à l’échelle supérieure 

Selon Vijay Swarup, vice-président de la firme Recherche et ingénierie d'ExxonMobil « Nous savons que certains types d’algues produisent des bio-huiles. La difficulté est de trouver et de mettre au point des algues capables de produire des bio-huiles à une échelle suffisante, et avec un rapport coût/efficacité suffisant ». 

Il faudrait une quantité significative d’algues pour produire du carburant en quantité suffisante pour satisfaire même une petite partie de la demande en carburant de transport des États-Unis. La population et les économies vont continuer leur expansion, et avec elles la demande en énergie et les émissions de CO2. Chez ExxonMobil, nous sommes conscients du fait qu’un ensemble intégré de solutions sera nécessaire pour augmenter l’efficacité, renforcer la capacité d’approvisionnement et réduire les émissions. Des découvertes technologiques seront cruciales en la matière, et les biocarburants dérivés des algues pourraient contribuer à cet ensemble de solutions.

L’objectif ultime est de traiter les bio-huiles obtenues des algues dans nos raffineries et des les ajouter à nos approvisionnements en essence classique, carburant diesel, carburants aviation et combustibles marine.

Quelle est la prochaine étape ?

ExxonMobil continue à financer et conduire des recherches dans le cadre de nos nombreux investissements dans de nouvelles technologies qui, dotées d’un potentiel transformateur, pourraient augmenter la fourniture d’énergie, réduire les émissions et rendre nos opérations plus efficientes.

La poursuite de tels objectifs implique des investissements considérables en termes de temps, d’argent et d’expertise scientifique pour faire face aux difficultés significatives qui sont associées au développement de biocarburants rentables sur une large échelle. Qui plus est, il est difficile de prédire le succès de ces efforts ; il dépend directement du rythme de l’innovation technologique. Il faudra peut-être plusieurs décennies pour que les biocarburants avancés atteignent un stade de développement suffisant pour apporter leurs bénéfices au secteur des carburants de transport. 

Nous allons continuer à orienter nos recherches de la biologie des algues vers les meilleures options, dans le cadre de notre activités de recherche et de développement portant sur d’autres biocarburants.

  • Les recherches effectuées par ExxonMobil dans le secteur des performances de la photosynthèse nous apporte les perspectives fondamentales nécessaires pour augmenter la productivité de la biomasse.

  • SGI exploite les techniques de la biologie synthétique et les ressources d’autres sciences fondamentales pour mettre au point des souches d’algues hautement productives.

La recherche portant sur l’éthanol cellulosique avec le groupe REG

ExxonMobil a signé un accord avec le groupe « Renewable Energy Group (REG) » pour l’étude de la production de biodiésel par la fermentation des sucres cellulosiques renouvelables, provenant de sources de type déchets agricoles.  REG a mis au point une technologie utilisant des microbes pour convertir les sucres en biodiésel au cours d’un processus de fermentation en une étape, similaire à la fabrication de l’éthanol. La recherche du partenariat entre ExxonMobil et REG Life Sciences research va se concentrer dans l’utilisation de sucres provenant de sources non alimentaires.

REG possède une longue expérience de la production de biocarburants avancés à partir de déchets de matières premières à faible contenu en carbone.   Tout au long de ces recherches, les deux entreprises relèveront le défi posé par la fermentation de sucres cellulosiques renouvelables dans les conditions du monde réel. Ces produits contiennent plusieurs types de sucres, notamment le glucose et le xylose, mais aussi des impuretés capables d’empêcher la fermentation.

Notre premier défi est de déterminer la faisabilité technique et les avantages environnementaux éventuels au cours de la recherche initiale.  En cas de résultats positifs, nous pourrons alors passer à la deuxième étape et explorer le potentiel d’expansion des efforts, et explorer les possibilités de passage à une plus grande échelle.

Partenariats avec les universités

École des Mines du Colorado/Biocarburants à base d’algues

ExxonMobil et l’École des mines du Colorado ont entrepris conjointement un projet de recherche dirigé par Matthew Posewitz, professeur agrégé de chimie minière et de géochimie, qui a travaillé dans le domaine des algues pendant 13 ans. Ces recherches porteront principalement sur l’acquisition de nouvelles connaissances sur les processus de photosynthèse et la fixation du carbone chez les algues. Ces nouvelles connaissances devraient permettre une meilleure compréhension des difficultés techniques et scientifiques de la production des biocarburants à partir des algues. 

Université du Michigan/Biocarburants à base d’algues

ExxonMobil a établi de recherche en collaboration avec l’Université du Michigan portant sur les biocarburants à base d’algues, portant essentiellement sur l’avancement de la science fondamentale de la photosynthèse des algues. Le professeur David Kramer de l’Université du Michigan (titulaire de la distinction John Hannah), professeur de photosynthèse et bioénergétique, dirige les travaux. L’objectif fondamental de ce partenariat est d’améliorer l’efficacité de la photosynthèse chez les algues afin d’augmenter la production des biocarburants. 

Université d’Iowa/Pyrolyse rapide de la biomasse

Le programme des biocarburants ExxonMobil à l’Université d’Iowa est centré sur des questions fondamentales relatives à la science et l’ingénierie des processus chimiques se produisant lors de la pyrolyse de la biomasse. Les chercheurs de l’Université d’Iowa ont étudié la pyrolyse rapide depuis plus de 15 ans. 

Les projets ExxonMobil seront conduits par quatre chercheurs.  Robert C. Brown, professeur de génie mécanique et directeur de l’Institut de bioéconomie à l’Université d’Iowa et James Michael, professeur de génie mécanique adjoint, vont étudier les éléments fondamentaux de la pyrolyse. Brent Shanks, un professeur de chimie et génie biologique et le directeur du centre pour la recherche en ingénierie pour les produits chimiques biorenouvelables de la National Science Foundation et Xianglan Bai, professeur adjoint de génie mécanique, étudieront les processus qui influencent la stabilité et la qualité des bio-huiles. 

Université du Nord-Ouest/Pyrolyse rapide de la biomasse

Le programme des biocarburants ExxonMobil à l’Université du Nord-Ouest est centré sur l’utilisation de la modélisation mécaniste avancée pour s’attaquer aux problèmes techniques et les opportunités potentielles que présente la pyrolyse rapide de la biomasse. La professeure Linda J. Broadbelt, titulaire de la distinction Sarah Rebecca Roland, directrice du département d’ingénierie biologique et chimique de l’Université du Nord-Ouest, dirige les travaux. Des recherches antérieures effectuées dans le groupe de Madame Broadbelt ont permis la mise au point d’un modèle de pyrolyse de la cellulose, l’un des composants des produits liquides de la pyrolyse de la biomasse. Ce modèle est actuellement élargi pour gagner une meilleure compréhension des composants les plus complexes des produits liquides de la pyrolyse de la biomasse. 

La recherche permettra d’identifier les voies de réaction et les mécanismes intervenant au cours de la pyrolyse et pourrait offrir un regard sur la suppression de réactions indésirables. Cette compréhension fondamentale est cruciale pour la détermination du potentiel de la technologie de la pyrolyse.

Université du Wisconsin/Valorisation de la biomasse

ExxonMobil a instauré un programme conjoint de recherche sur les processus de valorisation de la biomasse avec l’Université du Wisconsin. Le programme est dirigé par le professeur George Huber, chercheur chevronné et innovateur de la conversion de biomasse. Le programme est centré sur la conversion des produits de décomposition initiaux de la biomasse en produits plus intéressants. Par exemple, les sucres ou les composés à base de sucre peuvent être produits à partir de la biomasse au cours des processus de décomposition primaire tels que la pyrolyse rapide ou le traitement aux acides ou aux enzymes. Ce programme instauré avec l’Université du Wisconsin explore l’utilisation de réactions catalytiques pour la transformation de ces sucres en hydrocarbures tels que l’essence et le diesel.