Ressources pédagogiques  Les participants du challenge

Un poste de distribution de biodiésel

Un poste de distribution de biodiésel (JosefLehmkuhl, Wikimedia Commons)

Les STIM en contexte

Biocarburants : des sources d’énergie de remplacement

Damitha Gunathilake et Parlons sciences

Résumé

Les biocarburants sont des ressources énergétiques renouvelables qui peuvent souvent remplacer les combustibles fossiles. Pourquoi ne pas les utiliser plus?

As-tu déjà allumé une ampoule? As-tu déjà utilisé un ordinateur portatif ou un téléphone intelligent? As-tu déjà roulé dans une voiture ou un autobus? Si tu as répondu « oui » à au moins l’une de ces questions, tu as déjà utilisé de l’énergie. À mesure que les technologies se développent et que la population mondiale augmente, les gens ont besoin de plus en plus d’énergie. Mais répondre à ce besoin de manière durable est un véritable défi.

Depuis la Révolution industrielle, la majeure partie de l’énergie que nous utilisons provient de la combustion des combustibles fossiles. D’après l’Agence internationale de l’énergie (AIE), la quantité d’énergie produite dans le monde en brûlant des combustibles fossiles a été relativement stable ces trente dernières années. En 2015, environ 80 % de l’énergie produite dans le monde provenait de la combustion des combustibles fossiles.

Cependant, les scientifiques s’intéressent de plus en plus aux sources d’énergie renouvelables, comme les biocarburants. Examinons pourquoi.

Le savais-tu? 

Les biocarburants représentent environ 9 % de la quantité totale d’énergie utilisée dans le monde.

Combustibles fossiles et biocarburants : leurs différences

Les combustibles fossiles sont des formes solides, liquides ou gazeuses d’hydrocarbures. Les hydrocarbures – comme tu peux le deviner – sont des composés d’hydrogène et de carbone. Les combustibles fossiles proviennent de matières organiques qui sont mortes depuis très longtemps. Il s’agit notamment de végétaux et d’animaux qui ont été ensevelis sous de nombreuses couches de boue, de rochers et de sable voici des millions d’années. Avec le temps, la chaleur interne de la Terre et la pression des couches ont transformé ces matières mortes en combustibles fossiles. 

Pompe à biocarburant dans une station-service
Pompe à biocarburant dans une station-service (Source : RCB via pxhere).

 Le savais-tu? 

L’idée d’utiliser des biocarburants a germé dans les années 1800! Henry Ford pensait que l’éthanol serait le carburant de l’avenir.

Que sont les biocarburants et comment sont-il utilisés? 

Les biocarburants proviennent de matières végétales vivantes ou récemment mortes vivantes et de résidus animaux. Cela diffère des combustibles fossiles, qui sont dérivés de matières végétales et animales mortes depuis bien longtemps. Les biocarburants les plus couramment utilisés sont l’éthanol et le biodiésel. Ils sont produits à partir de plantes qui sont habituellement cultivées pour la consommation. Ces plantes constituent la biomasse qui est utilisée comme matière première dans la production de biocarburants. En Amérique du Nord, le maïs est le principal type de matière première utilisée dans la production d’éthanol. 

Pour produire de l’éthanol à partir de maïs, la première étape consiste à décomposer l’amidon. L’amidon est un carbohydrate complexe.  Pour produire de l’éthanol, il doit être décomposé en sucres simples comme le dextrose et le glucose. Un processus appelé fermentation convertit ensuite ces sucres en éthanol.

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Champ de maïs en Ontario
Champ de maïs en Ontario (Source: Illustratedjc [CC BY-SA 3.0]via Wikimedia Commons).

Le savais-tu?

La levure fait fermenter le sucre en éthanol dans des conditions anaérobiques. Cela signifie que le processus peut se produire sans oxygène!

Le biodiésel est fabriqué à partir d’huiles végétales ou de graisses animales. Une réaction appelée transéstérification est responsable de la conversion des huiles végétales en biodiésel. La transestérification est la réaction d’un alcool avec une huile ou de la graisse pour produire des esters éthylique et méthyliques d’acide gras, autrement connus sous le nom de biodiésel.

Les bioraffineries canadiennes ont la capacité de produire 1,7 milliards de litres d’éthanol par année. La majorité est mélangée à de l’essence. La plupart des véhicules à essence construits depuis les années 1980 peuvent fonctionner sur un mélange contenant jusqu’à 10 % d’éthanol (E10), sans aucune modification du moteur. Certaines entreprises automobiles nord-américaines fabriquent des véhicules à carburant flexible ou flexicarburant (Flex-Fuel),  avec des moteurs modifiés. Ces moteurs peuvent utiliser des mélanges allant jusqu’à 85% d’éthanol et 15% d’essence (E85).  

Le savais-tu?

Les États-Unis et le Brésil sont les chefs de file mondiaux dans la production de biocarburants. Ensemble, ils produisent plus de 65% des biocarburants du monde!

Le Règlement sur les carburants renouvelables du Canada a été adopté en 2010. Il exige que les combustibles fossiles non renouvelables contiennent une teneur en carburant renouvelable moyenne de 5 %. Ce pourcentage est présentement atteint grâce à l’éthanol de maïs et de blé (E5). Qu’en est-il du mélange E85 qui peut être utilisé dans les véhicules à flexicarburant? Certaines entreprises canadiennes ayant de grandes flottes de véhicules utilisent l’E85. Mais il n’est pas encore largement disponible. Il n’y a qu’une poignée de stations-service au Canada qui vendent l’E85. En comparaison, il y a plus de 3 000 stations-service avec des pompes E85 aux États-Unis. Cela peut sembler beaucoup, mais représente moins de 2 % due toutes les stations-service. 

Pourquoi utiliser des biocarburants plutôt que des combustibles fossiles?

Les combustibles fossiles sont des ressources non renouvelables. À force d’y puiser, les réserves de combustibles fossiles finiront par s’épuiser. Certaines sources d’énergie, comme le Soleil et le vent, sont considérées comme durables parce qu’elles sont renouvelables. Les biocarburants sont eux aussi renouvelables. En effet, tu peux cultiver continuellement de la biomasse afin de produire indéfiniment des biocarburants.

Non seulement les combustibles fossiles ne sont pas renouvelables, mais en plus ils sont néfastes pour l’environnement. Leur combustion libère dans l’atmosphère d’énormes quantités de gaz à effet de serre, comme le dioxyde de carbone (CO2). Les gaz à effet de serre contribuent au réchauffement climatique. La combustion d’éthanol produit elle aussi du dioxyde de carbone. Cependant, on considère que l’éthanol est neutre en carbone. En effet, la biomasse qui est utilisée pour fabriquer l’éthanol absorbe du CO2 pendant sa croissance. Il existe donc un équilibre et la combustion des biocarburants n’augmente pas la quantité de gaz à effet de serre.

Il existe de nombreuses possibilités pour remplacer les combustibles fossiles par des biocarburants. C’est pourquoi les scientifiques s’y intéressent tellement!

De quoi les biocarburants sont-ils constitués?

Les scientifiques classent les biocarburants en quatre catégories ou « générations », en fonction des matières premières utilisées pour leur fabrication. Les biocarburants de première génération sont principalement constitués de matières provenant de sources alimentaires, comme l’amidon des céréales (maïs, blé, etc.), le sucre de la canne à sucre, les huiles végétales et les graisses animales. On peut fabriquer du carburant à partir de ces matières de nombreuses manières, notamment en utilisant des micro-organismes (des bactéries et d’autres minuscules organismes). Par exemple, un champignon du nom de Saccharomyces cerevisiae (une levure) fait fermenter le sucre, qui se transforme en éthanol.

Les biocarburants de deuxième génération sont fabriqués à partir de matières provenant de sources non alimentaires. Ils sont principalement produits à partir de la cellulose que l’on trouve dans les parois cellulaires des végétaux. C’est pourquoi on les appelle aussi biocarburants cellulosiques. Le bois et la paille sont des matériaux que l’on peut utiliser pour fabriquer des biocarburants cellulosiques. C’est aussi le cas des résidus de culture, c’est-à-dire les matières qui restent après la récolte de la partie comestible d’un végétal cultivé.

Les biocarburants de troisième génération sont fabriqués à partir de certaines espèces d’algues. C’est pourquoi on les appelle aussi algocarburants. Certaines algues sécrètent des substances huileuses, qui peuvent servir de biocarburants. Étant donné que les algues sont capables de photosynthèse, elles peuvent fabriquer leur propre énergie. De ce fait, elles sont considérées comme des sources hautement énergétiques et peu coûteuses pour fabriquer du biocarburant. Cependant, la production à grande échelle d’algocarburant coûte encore très cher. Les scientifiques essaient donc d’améliorer les techniques de récolte et les bioréacteurs. Un bioréacteur est un appareil servant à cultiver des micro-organismes.

Les biocarburants de quatrième génération sont issus du secteur le plus récent de la technologie des biocarburants, dans lequel les scientifiques essaient de trouver une source de bioénergie qui servirait à la fois de méthode pour capturer le dioxyde de carbone et pour le stocker. Ces biocarburants sont généralement produits à l’aide de techniques biochimiques de pointe ou de procédés d’hydrotraitement semblables à ceux utilisés pour le pétrole.

Résumé des quatre générations de biocarburants
Résumé des quatre générations de biocarburants (©2019 Parlons sciences).
Graphique - Version textuelle

En résumé, les biocarburants de première génération utilisent des matières de sources alimentaires, comme l’amidon du maïs et du blé; ceux de deuxième génération, des matières de sources non alimentaires, comme la cellulose; ceux de troisième génération, des algues; et ceux de quatrième génération, d’autres sources.

Quel est l’avenir des biocarburants?

Pourquoi tout le monde n’utilise-t-il pas les biocarburants? Comme pour les autres types de combustible, la production de biocarburants rencontre quelques difficultés, notamment le coût de production et les sources d’approvisionnement en matières premières. Peut-être qu’un jour les nouvelles technologies permettront de produire des biocarburants à faible coût. Et peut-être que les scientifiques trouveront des moyens d’utiliser des matières premières de sources non alimentaires. Quand ce sera le cas, les biocarburants deviendront très vite l’une des meilleures solutions de remplacement des combustibles fossiles!

Amorces de discussion

Faire des liens
  • As-tu déjà fait halte à une station-service pour faire le plein d’éthanol avec ta voiture? Pourquoi?
  • Une station-service de ta ville propose-t-elle de l’E85 à la pompe? À quelle fréquence vois-tu des gens faire le plein d’éthanol?
Faire des liens
  • As-tu déjà fait halte à une station-service pour faire le plein d’éthanol avec ta voiture? Pourquoi?
  • Une station-service de ta ville propose-t-elle de l’E85 à la pompe? À quelle fréquence vois-tu des gens faire le plein d’éthanol?
Relier la science et la technologie à la société et à l'environnement
  • Les gens ont-ils intérêt à investir dans l’achat d’une voiture acceptant de l’éthanol comme carburant? Justifie ta réponse.
  • En quoi la disponibilité de pompes distribuant de l’éthanol (p. ex., E85) dans les stations-service influe-t-elle sur les ventes et les achats de véhicules à l’éthanol?
Relier la science et la technologie à la société et à l'environnement
  • Les gens ont-ils intérêt à investir dans l’achat d’une voiture acceptant de l’éthanol comme carburant? Justifie ta réponse.
  • En quoi la disponibilité de pompes distribuant de l’éthanol (p. ex., E85) dans les stations-service influe-t-elle sur les ventes et les achats de véhicules à l’éthanol?
Explorer les concepts
  • Quelles sont les différences entre les combustibles fossiles et les biocarburants?
  • Quelles sont les principales différences entre les quatre générations de biocarburants?
  • Effectue des recherches afin de trouver les types de déchets utilisés pour la production de biocarburants de deuxième génération (ou biocarburants cellulosiques).
Explorer les concepts
  • Quelles sont les différences entre les combustibles fossiles et les biocarburants?
  • Quelles sont les principales différences entre les quatre générations de biocarburants?
  • Effectue des recherches afin de trouver les types de déchets utilisés pour la production de biocarburants de deuxième génération (ou biocarburants cellulosiques).
Nature de la science et de la technologie
  • En prenant comme exemple les biocarburants de troisième génération, explique comment les interactions entre la science et la technologie influent sur les avancées en matière de développement d’un biocarburant qui pourrait être utilisé par le grand public.
Nature de la science et de la technologie
  • En prenant comme exemple les biocarburants de troisième génération, explique comment les interactions entre la science et la technologie influent sur les avancées en matière de développement d’un biocarburant qui pourrait être utilisé par le grand public.
Littératie médiatique
  • Ces dernières années, des entreprises comme Exxon ont mené des campagnes promotionnelles sur les algocarburants (biocarburants de troisième génération). Pourquoi une entreprise qui produit et vend des combustibles fossiles fait-elle la promotion d’un biocarburant de remplacement? D’autres compagnies pétrolières mènent-elles des campagnes similaires?
Littératie médiatique
  • Ces dernières années, des entreprises comme Exxon ont mené des campagnes promotionnelles sur les algocarburants (biocarburants de troisième génération). Pourquoi une entreprise qui produit et vend des combustibles fossiles fait-elle la promotion d’un biocarburant de remplacement? D’autres compagnies pétrolières mènent-elles des campagnes similaires?
Suggestions pour l'enseignement
  • Cet article peut servir pour des activités d’enseignement et d’apprentissage dans les catégories « Biologie », et « Ingénierie & Technologie » afin d’aborder des sujets comme les biocarburants, les combustibles fossiles et les énergies renouvelables. Parmi les concepts présentés, citons les hydrocarbures, les biocarburants, l’éthanol, les gaz à effet de serre, le dioxyde de carbone, le biodiésel, l’énergie éolienne (vent), l’énergie solaire (soleil), les énergies renouvelables, les biocarburants de première génération, les micro-organismes, la fermentation, les biocarburants de deuxième génération, la cellulose, les biocarburants cellulosiques, les biocarburants de troisième génération, les algues, les algocarburants et les bioréacteurs.
  • Après la lecture de cet article, les enseignants peuvent demander aux élèves d’appliquer la stratégie d’apprentissage de la Toile de définition du concept afin d’aider ceux-ci à mieux comprendre le concept de biocarburants. Des fiches reproductibles prêtes à utiliser de la Toile de définition du concept sont disponibles aux formats [Document Google] et [PDF].
Suggestions pour l'enseignement
  • Cet article peut servir pour des activités d’enseignement et d’apprentissage dans les catégories « Biologie », et « Ingénierie & Technologie » afin d’aborder des sujets comme les biocarburants, les combustibles fossiles et les énergies renouvelables. Parmi les concepts présentés, citons les hydrocarbures, les biocarburants, l’éthanol, les gaz à effet de serre, le dioxyde de carbone, le biodiésel, l’énergie éolienne (vent), l’énergie solaire (soleil), les énergies renouvelables, les biocarburants de première génération, les micro-organismes, la fermentation, les biocarburants de deuxième génération, la cellulose, les biocarburants cellulosiques, les biocarburants de troisième génération, les algues, les algocarburants et les bioréacteurs.
  • Après la lecture de cet article, les enseignants peuvent demander aux élèves d’appliquer la stratégie d’apprentissage de la Toile de définition du concept afin d’aider ceux-ci à mieux comprendre le concept de biocarburants. Des fiches reproductibles prêtes à utiliser de la Toile de définition du concept sont disponibles aux formats [Document Google] et [PDF].

En savoir plus

Les biocarburants (2018) Le blob, l’extra-média -- Un tour d'horizon des biocarburants de 2e et 3e générations (vidéo, 1 min 13 s)

Tout savoir sur les énergies renouvelables (2019) Super-Brevet by digiSchool -- Cette vidéo (2 min 25 s) explique la différence entre les énergies renouvelables et non renouvelables.

Origine des combustibles fossiles (2017) SVT Guilleray -- Cette vidéo (3 min 53 s) donne une définition des combustibles fossiles et explique la formation des combustibles fossiles.

Références

Aro, E. (2015). From first generation biofuels to advanced solar biofuels. Ambio, 45, 24-31. DOI: 10.1007/s13280-015-0730-0

IAS Score. (n.d.). Generations of biofuels.

International Energy Agency. (2007, janvier). IEA energy technology essentials.

National Geographic. (n.d.). Biofuels.

U.S. Energy Information Administration. (2019, février  13). Biofuels: Ethanol and biodiesel explained.