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Des algues flottant sur un étang

Des algues flottant sur un étang (kkrs, iStockphoto)

Les STIM en contexte

Biocarburant algal: alimenter la planète avec l’écume d’étang

Krysta Levac
Format
Lisibilité
8.3

Résumé

Découvre le potentiel des algues utilisées comme matière première pour la production de biocarburants.

Les algues pourraient être de super productrices de biodiésel efficaces. Mais peut-être pas si efficaces... Car c’est l’huile des algues qui en fait une formidable matière première potentielle pour le biocarburant. La matière première est une matière utilisée pour la production de biocarburants. Le biodiésel est un important type de biocarburants.

Le biodiésel peut être utilisé en remplacement du carburant diésel à base de pétrole. Il peut aussi être mélangé à ce dernier. Le biodiésel fabriqué à partir de l’huile des algues est un biocarburant dit de troisième génération. À l’heure actuelle, seulement quelques raffineries en produisent. Mais il pourrait devenir un jour une source majeure de biocarburants.

Algues 101

Les algues appartiennent à un groupe d’organismes photosynthétiques distincts des plantes. Elles produisent des sucres et de l’oxygène à partir de l’eau, du dioxyde de carbone (CO2) et de l’énergie solaire. Certaines algues, comme les algues marines, sont de grande taille et multicellulaires. Mais beaucoup sont microscopiques et unicellulaires, comme les microalgues vertes utilisées pour la production de biodiésel. Les cellules des algues vertes métabolisent en huile les sucres qu’elles produisent. C’est un moyen d’emmagasiner de l’énergie. 

Various types of algae
Divers types d’algues incluant A : Algues bleu-vert sur une rivière (Source: CSIRO [CC BY] via Wikimedia Commons); B : Algues rouges sur des coraux blanchis (Source: Johnmartindavies [CC BY-SA] via Wikimedia Commons); C : Microalgues (Source: CSIRO [CC BY] via Wikimedia Commons); et D : Algues brunes et vertes dans l’océan (Source: Ansgar Gruber [CC BY-SA] via Wikimedia Commons).

Le savais-tu?

Les algues vertes peuvent croître très rapidement. Chez certaines espèces, la quantité d’huile emmagasinée peut représenter plus de la moitié de leur masse!

Comment le biodiésel est fabriqué à partir des algues

Les matières grasses végétales et animales, incluant l’huile dans les algues, sont constituées de molécules organiques appelées triglycérides.

Example of a triglyceride
Exemple d’un triglycéride (C55H98O6). Le glycérol, l’acide palmitique, l’acide oléique et l’acide alpha-linolénique en sont les constituants (Source : Wolfgang Schaefer [domaine public] via Wikimedia Commons).

 

La première étape dans la fabrication de biodiésel consiste à extraire des algues l’huile contenant les triglycérides. L’extraction peut se faire de deux manières. Une des techniques est le broyage mécanique des algues, comme si tu pressais des olives pour fabriquer de l’huile d’olive. L’autre est l’utilisation d’un solvant organique qui est mélangé aux algues.

Ensuite, les triglycérides sont convertis en esters méthyliques d’acide gras (EMAG). Ceux-ci sont produits par une réaction de transestérification. Le même processus peut être utilisé pour dériver des EMAG à partir de l’huile de canola ou des huiles de cuisson usées.

Triglycérides réagissant avec le méthanol pour former des esters méthyliques d’acide gras et de la glycérine
Triglycérides réagissant avec le méthanol pour former des esters méthyliques d’acide gras et de la glycérine (© 2020 Parlons Sciences).
Illustration des principales étapes dans la production de biodiésel à partir des algues
Illustration des principales étapes dans la production de biodiésel à partir des algues (© 2020 Parlons Sciences).

 

Graphique - Version textuelle

Les étapes de la fabrication de biodiésel à partir d’algues comprennent la culture des algues, la récolte des algues, l’extraction de l’huile des algues et la transestérification.

 

Un carburant à base de microalgues mis au point à Montpellier (2019) France 3 Occitanie (1:46)

Comme les cultures de matière première pour biodiésel telles que le canola, les algues peuvent être cultivées. Les mêmes exigences s’appliquent à la culture des algues que pour les algues vertes qui croissent dans les étangs, les piscines et les aquariums. Pour leur croissance, elles ont besoin d’eau, de lumière solaire, de CO2 et de nutriments comme l’azote et le phosphore.

Il existe deux principales façons de cultiver des algues:

Les étangs (ou bassins) extérieurs ressemblent à de grandes piscines. Ils comportent un système qui maintient l’eau en mouvement pour faire circuler les algues. Ainsi, toutes les algues bénéficient de la même exposition à la lumière du soleil. 

A design for outdoor algae pools
Concept de bassins extérieurs pour la culture des algues. Ce style est connu sous le nom de bassin allongé (de type « raceway ») (Source : Ivan Castilho [CC BY-SA] via Wikimedia Commons).

 

L’utilisation d’étangs ouverts présente certains désavantages. L’eau peut s’évaporer rapidement parce qu’ils s’étendent sur de grandes surfaces. Ils comportent aussi un risque de contamination par d’autres espèces d’algues.

Les bioréacteurs fermés sont des environnements intérieurs étanches dans lesquels les algues peuvent croître. Ils présentent une variété de formes et de styles. L’avantage de cette option est que les humains peuvent soigneusement contrôler les conditions de croissance. Mais leur construction et leur entretien sont beaucoup plus coûteux que pour les étangs ouverts.

Algae growing in a bioreactor
Des Algues en croissance dans un bioréacteur (Source : IGV Biotech [CC BY-SA] via Wikimedia Commons).

Quels sont les avantages de l’utilisation des algues pour produire du biodiésel?

L’utilisation des algues comme matière première pour la production de biodiésel présente plusieurs avantages comparativement à la culture du canola comme matière première. Ces avantages sont les suivants:

  1. Sur une petite surface, les algues produisent plus d’huile que certaines autres cultures. Les scientifiques n'ont pas déterminé précisément dans quelle proportion. Mais ce pourrait être de deux à dix fois plus.
  2. Les algues ne nécessitent pas de terres agricoles. Cela signifie qu’elles ne font pas concurrence aux plantes cultivées pour des terres agricoles de bonne qualité.
  3. Les algues pourraient contribuer à réduire la pollution de l’air. Les algues ont besoin de grandes quantités de CO2 pour la photosynthèse. Une partie de ce CO2 pourrait provenir de sources comme les émissions industrielles.
  4. Les algues ont besoin d’eau, mais il n’est pas nécessaire que l’eau soit propre. Un projet de recherche mené par la NASA a démontré que les algues peuvent être produites dans des bioréacteur flottants placés dans les eaux usées des municipalités. Au fil de leur croissance, les algues épurent les eaux usées en absorbant les nutriments. Les algues peuvent ensuite être utilisées pour la production de biocarburants.
Illustration de certains des avantages de cultiver les algues, plutôt que le canola, comme matière première du biodiésel
Illustration de certains des avantages de cultiver les algues, plutôt que le canola, comme matière première du biodiésel (© 2020 Parlons Sciences). 

 

Le savais-tu?

Le Conseil national de recherches du Canada a formé un partenariat avec deux entreprises, Pond Tech et St. Mary’s Cement, pour la construction d’une bioraffinerie algale. L’objectif pour Pond Tech est d’utiliser les produits usés issus de St. Mary’s Cement pour cultiver des algues. En retour, ces algues peuvent produire des biocarburants!

Quels sont les inconvénients de l’utilisation des algues pour produire du biodiésel?

La viabilité des biocarburants à base d’algues soulève aussi des préoccupations. Les principales sont les suivantes:

  1. La culture des algues en étangs requiert beaucoup d’eau. L’eau s’évapore à la surface de l’étang. Cela signifie qu’il faut constamment ajouter de l’eau. C’est un problème moins important dans les bioraffineries puisque ce sont des systèmes fermés.
  2. Les bioréacteurs nécessitent beaucoup d’énergie pour la croissance des algues. L’énergie est utilisée pour assurer la circulation de l’eau, l’apport de lumière et le maintien de la température optimale. Le problème est moindre dans les étangs extérieurs puisque l’énergie lumineuse et thermique provient du Soleil. Mais un apport d’énergie est tout de même nécessaire dans les étangs extérieurs pour assurer la circulation de l’eau.
  3. Le bioraffinage est un long processus. Les algues croissent rapidement, mais le processus d’extraction et de raffinage de l’huile qu’elles contiennent est lent. Il est plus long qu’avec d’autres méthodes de production de biocarburants.
  4. Le bilan énergétique des biocarburants à base d’algues pourrait être négatif. En d’autres termes, l’énergie nécessaire pour produire les biocarburants à base d’algues serait supérieure à l’énergie qu’ils génèrent!
  5. La construction et l’exploitation des installations de production de biocarburants à base d’algues sont très coûteuses. Cela signifie que le prix des biocarburants à base d’algues pourrait être plus élevé que ce que la plupart des gens ou des entreprises sont prêts à payer.

Cependant, certains des avantages des biocarburants à base d’algues pourraient contribuer à pallier ces inconvénients. Notamment, le captage du CO2 présent dans les émissions industrielles ainsi que l’utilisation d’eaux usées riches en nutriments pourraient favoriser la pleine exploitation du potentiel des algues. 

Des biocarburants à base d’algues autres que le biodiésel

Il existe d’autres façons d’exploiter l’énergie à partir des algues. Par exemple, les algues peuvent être séchées et transformées en « charbon d’algues », qui peut être brûlé avec du charbon fossile dans les centrales électriques. Les algues peuvent aussi être utilisées pour produire des biogaz. Il s’agit d’une technologie qui permet la dégradation de matières organiques comme les algues par l’action des bactéries dans des conditions anaérobies (sans oxygène). Les bactéries produisent des biogaz riches en méthane, lesquels peuvent être brûlés pour générer de l’électricité.

Les biocarburants à base d’algues ne sont pas encore très répandus. Mais si les scientifiques trouvent une façon d’exploiter leur énergie à moindre coût, l’avenir s’annonce vert. Et peut-être même un peu visqueux!

 

Amorces de discussion

Faire des liens
  • As-tu déjà vu des algues qui poussent? À quoi ces algues en croissance te font-elles penser?
  • As-tu déjà entendu le terme aquaculture? Qu’est-ce qui te vient à l’esprit quand tu entends ce terme?
  • As-tu déjà conduit (ou une personne que tu connais) une automobile à moteur diésel? Quelles caractéristiques d’une automobile à moteur diesel te plaisent ou te déplaisent?
Faire des liens
  • As-tu déjà vu des algues qui poussent? À quoi ces algues en croissance te font-elles penser?
  • As-tu déjà entendu le terme aquaculture? Qu’est-ce qui te vient à l’esprit quand tu entends ce terme?
  • As-tu déjà conduit (ou une personne que tu connais) une automobile à moteur diésel? Quelles caractéristiques d’une automobile à moteur diesel te plaisent ou te déplaisent?
Relier la science et la technologie à la société et à l'environnement
  • En quoi l’impact environnemental du biodiésel à base d’algues diffère-t-il de celui d’une plante cultivée comme source de biodiésel, tel le canola?
  • Quelles sont les préoccupations environnementales liées à l’augmentation de la production de biocarburants à base d’algues?
Relier la science et la technologie à la société et à l'environnement
  • En quoi l’impact environnemental du biodiésel à base d’algues diffère-t-il de celui d’une plante cultivée comme source de biodiésel, tel le canola?
  • Quelles sont les préoccupations environnementales liées à l’augmentation de la production de biocarburants à base d’algues?
Explorer les concepts
  • Quel est le processus chimique requis dans la fabrication de biodiésel?
  • Comment les algues sont-elles cultivées pour la production de biocarburants?
  • Quelle est la fonction d’un bioréacteur?
  • En plus du biodiésel, quelle autre forme d’énergie pourrait-on produire à partir des algues?
Explorer les concepts
  • Quel est le processus chimique requis dans la fabrication de biodiésel?
  • Comment les algues sont-elles cultivées pour la production de biocarburants?
  • Quelle est la fonction d’un bioréacteur?
  • En plus du biodiésel, quelle autre forme d’énergie pourrait-on produire à partir des algues?
Nature de la science et de la technologie
  • En quoi le développement de l’industrie des biocarburants à base d’algues est-il relié aux innovations technologiques?
Nature de la science et de la technologie
  • En quoi le développement de l’industrie des biocarburants à base d’algues est-il relié aux innovations technologiques?
Littératie médiatique
  • Si tu étais le fabricant d’un biocarburant à base d’algues, que ferais-tu pour le commercialiser? Crée un scénarimage pour une publicité faisant la promotion des caractéristiques, des avantages et des bénéfices du biocarburant à base d’algues.
Littératie médiatique
  • Si tu étais le fabricant d’un biocarburant à base d’algues, que ferais-tu pour le commercialiser? Crée un scénarimage pour une publicité faisant la promotion des caractéristiques, des avantages et des bénéfices du biocarburant à base d’algues.
Suggestions pour l'enseignement
  • Cet article permet de soutenir l’enseignement et l’apprentissage dans les catégories « Biologie », « Biotechnologie », « Chimie » et « Énergie de remplacement » liées aux sujets suivants : les biocarburants, les biotechnologies industrielles et l’aquaculture. Les concepts présentés incluent les matières premières, les solvants, les bioréacteurs et les biogaz.
  • Après la lecture de cet article, les enseignants peuvent inviter les élèves à utiliser la stratégie d’apprentissage Toile de définition du concept pour explorer le concept de biodiésel à base d’algues. Les fiches reproductibles Toile de définition du concept prêtes à utiliser pour cet article sont disponibles dans les formats [Document Google] et [PDF].
  • Pour aider les élèves à consolider leur apprentissage concernant cet article, les enseignants peuvent les inviter à utiliser la stratégie d’apprentissage Organisateur du pour et du contre afin d’explorer les aspects positifs et négatifs de l’utilisation des algues dans la production de biocarburants. Les fiches reproductibles « Organisateur du pour et du contre » prêtes à utiliser pour cet article sont disponibles dans les formats [Document Google] et [PDF].
Suggestions pour l'enseignement
  • Cet article permet de soutenir l’enseignement et l’apprentissage dans les catégories « Biologie », « Biotechnologie », « Chimie » et « Énergie de remplacement » liées aux sujets suivants : les biocarburants, les biotechnologies industrielles et l’aquaculture. Les concepts présentés incluent les matières premières, les solvants, les bioréacteurs et les biogaz.
  • Après la lecture de cet article, les enseignants peuvent inviter les élèves à utiliser la stratégie d’apprentissage Toile de définition du concept pour explorer le concept de biodiésel à base d’algues. Les fiches reproductibles Toile de définition du concept prêtes à utiliser pour cet article sont disponibles dans les formats [Document Google] et [PDF].
  • Pour aider les élèves à consolider leur apprentissage concernant cet article, les enseignants peuvent les inviter à utiliser la stratégie d’apprentissage Organisateur du pour et du contre afin d’explorer les aspects positifs et négatifs de l’utilisation des algues dans la production de biocarburants. Les fiches reproductibles « Organisateur du pour et du contre » prêtes à utiliser pour cet article sont disponibles dans les formats [Document Google] et [PDF].

En savoir plus

Le long chemin des biocarburants à base d'algues vers la rentabilité (2020) fr.euronews -- Jaap van Hal, coordinateur scientifique du projet de recherche européen MacroFuels, discute de l'avenir des biocarburants à base d'algues.

Micro-algues : un regain d’intérêt pour le biocarburant (2020) Actu-Environnement -- À l’heure du réchauffement climatique et de la transition énergétique, les micro-algues représentent une avenue intéressante de production énergétique durable. (vidéo, 5:29)

Les biocarburants de demain seront-ils à base d'algues? (2020) Euronews -- Des chercheurs européens testent les performances, mais aussi la rentabilité d'un biocarburant de dernière génération qui contient des algues. (vidéo, 4:00)

Centre de recherche en développement des cultures et des ressources aquatiques : Conseil national de recherches Canada -- page Web avec des liens vers des installations, des programmes de recherche et des services techniques et consultatifs canadiens.

Références

Ayers, C. (2019). 15 Advantages and Disadvantages of Using Algae as a Biofuel. https://greengarageblog.org/15-advantages-and-disadvantages-of-using-algae-as-a-biofuel

Bailey, R. (2019). All About Photosynthetic Organisms. https://www.thoughtco.com/all-about-photosynthetic-organisms-4038227

Cassidy, S. (2010). How can algae be converted into biofuel? https://auto.howstuffworks.com/fuel-efficiency/biofuels/convert-algae-to-biofuel.htm

Lombardo, C. 7 Advantages and Disadvantages of Algae Biofuel. https://futureofworking.com/7-advantages-and-disadvantages-of-algae-biofuel/

Murphy, J. D., Drosg, B., Allen, E., Jerney, J., Xia, A., and Herrmann, C. (2015). A perspective on algal biogas. http://task37.ieabioenergy.com/files/daten-redaktion/download/Technical Brochures/AD_of_Algae_ebook_end.pdf

Penn State College of Earth and Mineral Sciences. (2018). 9.2 The Reaction of Biodiesel: Transesterification. https://www.e-education.psu.edu/egee439/node/684

Smith, A. M., & Ross, A. B. (2016). Production of bio-coal, bio-methane and fertilizer from seaweed via hydrothermal carbonisation.  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211926416300650

U.S. Office of Energy Efficiency & Renewable Energy. Algal Biofuels. https://www.energy.gov/eere/bioenergy/algal-biofuels

Wood, R. (2012). Algae Biofuels: Feasibility Analysis and Policy Recommendations. https://www.eng.mcmaster.ca/sites/default/files/uploads/algal_biofuels_feasibility_analysis.pdf