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07/11/2019

Un certain retard à l’allumage pour les carburants de 3ème génération

La production de biocarburant en Europe doit contribuer de façon significative à l'atteinte de l'objectif de 14% d'énergie renouvelable dans les transports d'ici à 2030. En France, la retranscription des différentes directives européennes et la conduite de politiques nationales ont  plafonné, en juin 2018, la part des biocarburants de première génération à 7% de la consommation finale dans le secteur des transports. En parallèle, l'objectif d’environ 3,5% de biocarburants dits « avancés » (deuxième et troisième génération) d’ici 2028 a été fixé. La troisième génération, reposant sur la biomasse algale, suscite aujourd'hui l'attention des pouvoirs publics et de nombreux investisseurs, malgré des freins techniques et économiques encore importants.

Un nouveau souffle pour les biocarburants grâce aux micro-algues

Toutes générations confondues, la France est le quatrième pays producteur mondial de biocarburants (5 % de la production mondiale) après les États Unis, le Brésil et l’Allemagne, avec plus de 2 millions de tonnes de biocarburants produits sur le territoire[i].

Les biocarburants 1G (première génération), issus d'huiles et de sucres alimentaires (blé, maïs, betteraves, colza, palme), ont atteint depuis quelques années la maturité industrielle. À titre d’exemple, en France, Total a très récemment reconverti une partie de sa raffinerie de la Mède[ii] pour traiter un volume annuel de 500 000 tonnes d’intrants dans le but de créer du bio-éthanol. Les biocarburants 1G restent cependant très dépendants des aides publiques pour se soustraire à la volatilité croisée des prix du baril et des commodités agricoles. Ils sont également largement décriés pour leur concurrence avec la production alimentaire et leur emprise sur les terres arables.

La seconde génération (2G), basée sur le traitement de matières végétales non alimentaires comme le bois ou les pailles, repose sur des technologies de plus en plus matures. Plus d’une centaine d’unités de production en 2016[iii] existent ou sont en construction dans le monde. En France les projets  BioTfuel, Futurol et même Gaya (pour produire du biogaz de deuxième génération) utilisent des intrants  lignocellulosiques (types bois, paille ou cultures dédiées) et font office de « vitrine » pour présenter le savoir-faire en la matière. Pour le premier, qui réunit les meilleurs experts de la chaine « biocarburants » en France (Total, CEA, IFPEN,…) une offre commerciale devrait pouvoir être mise en place d’ici 2020.[iv]

La production de troisième génération (3G), à partir de biomasse algale, en est quant à elle au stade de recherche et développement. Les algues sont sélectionnées pour leur production d'acides gras à haut contenu énergétique, qui peuvent être convertis en biocarburants de type Ester Méthylique d’Huile Végétale (EMHV - biodiesel), gaz de synthèse ou biokérozène (biojet). De multiples avantages par rapport à la première et à la deuxième génération expliquent l'engouement autour des micro-algues.

Tout d'abord, elles bénéficient d'un rendement à l'hectare au moins 30 fois supérieur aux oléagineux : selon le mode de culture, généralement vertical dans des photobioréacteurs, les micro-algues pourraient produire jusqu'à 100 fois plus de litres d'huile par hectare que le palmier à huile, et 200 fois plus que le colza[v] tandis que leur récolte peut s’effectuer en continu. Mieux, leur croissance par photosynthèse permet de recycler et valoriser le traitement d'effluents liquides et certaines fumées industrielles (CO2, nitrates, phosphates entre autres). Elles s'affranchissent du problème de concurrence des sols en offrant la possibilité d’être cultivées dans des zones non arables et même sur les toits et façades d’immeubles.

Dans l’hypothèse où les micro-algues sont cultivées à proximité d’industries rejetant d’importantes quantités de CO2 et de chaleur fatale, elles peuvent bénéficier de conditions « idéales » pour leur culture et ce modèle d'économie circulaire est vertueux, notamment pour les pays du nord, fortement industrialisés.

Baisser les coûts d'approvisionnements, améliorer les rendements de productions et développer la logistique : des enjeux encore nombreux pour permettre une industrialisation et standardisation de la filière.

Même si la culture de micro-algues présente de nombreux avantages, elle reste néanmoins une forme particulièrement intensive d'agriculture.

Si le soleil, et dans certaines conditions l'eau, sont peu coûteux, les phases de culture et d'extraction sont extrêmement gourmandes en  

  • Nutriments (surtout de l’azote (~100kg pour 1 tonne de micro-algues poids sec, ~10kg/tMS de phosphore et ~10kg/tMS de potassium)[vi] ;
  • Dioxyde de carbone ;
  • Énergie pour
    • l’alimentation de système LEDs pour cultiver les micro-algues de jour comme de nuit ;
    • les systèmes de chauffage et régulation de la température des milieux de culture (pompes à chaleur, chaudières…)
    • les éléments rotatifs pour les phases de séparation de la partie solide (les algues) de la partie liquide (eau)

Ces différents paramètres altèrent à la fois la performance financière et les rendements énergétiques finaux.

Plusieurs leviers d'amélioration sont à l'étude, à tous les niveaux de la chaîne de production. Le premier porte sur la sélection de souches d'algues plus productives. Sur les centaines de milliers d'espèces de micro-algues existantes dans le monde, seules 35 000 environ sont connues et quelques dizaines sont véritablement exploitées. On obtient aujourd'hui, dans les meilleures conditions, des fractions lipidiques représentant 70% de la matière algale, mais le potentiel de découverte et de sélection est encore vaste, et une course aux brevets est actuellement à l’œuvre entre les chercheurs américains, européens et asiatiques. Le second porte sur l'amélioration des coûts de la phase de culture, qui représente entre 30% et 50% du coût de production car les matériels sont peu ou pas standardisés, peu de tâches sont automatisées et requièrent une forte présence humaine. Il est nécessaire de surveiller une multitude de paramètres liés à la croissance des algues (pH, température, quantité de nutriments, création du biofilm, couleur et concentration de la culture, oxygène, CO2, …).

La phase finale de conversion est, elle, déjà mature, car elle réutilise les technologies déployées pour la première génération[vii].

Avec un coût de production du litre de biodiésel de 5 à 10 [viii], une filière commerciale du biocarburant 3G ne sera probablement pas opérationnelle avant une dizaine d'années.

La course aux micro-algues est lancée et attire de plus en plus d'investisseurs

L'utilisation des micro-algues est à l'heure actuelle plus ou moins mature selon le champ d'application. Plusieurs marchés sont accessibles à court terme comme l'alimentation humaine, la nutrition animale, l'utilisation de certaines molécules à haute valeur ajoutée pour l'industrie, la chimie et la cosmétique.[ix]

Plus de 2 milliards de dollars d'investissements et plus de 200 projets de recherche et développement ont été recensés, en majorité aux Etats-Unis[x] et l'Union Européenne a soutenu également de nombreux projets dans le cadre du programme FP7[xi].

En France, différents acteurs de la filière de valorisation des micro-algues réunis en consortium, ont été lauréats en 2012 de l’appel à projet Investissements d’Avenir « Instituts d’Excellence sur les Énergies Décarbonées » (IEED) dans le cadre de la création d’une nouvelle plateforme très ambitieuse « GreenStars » (11). Malgré un budget estimé à plus de 160m€, le projet n’a pas pu voir le jour et cela a fait échouer la mise en place d’une vaste plateforme de niveau mondial et de moyens mutualisés.

Mêmes si elles sont peu nombreuses, d’autres plateformes ont tout de même été mises en place (HelioBiotec, Algosolis, Full Spectrum) ou ont élargi leur périmètre jusqu’à couvrir la valorisation de microalgues pour certaines applications (PIVERT).

La forte baisse des prix du pétrole entre 2015 et 2018 ont entrainés mécaniquement une baisse  de l’investissement en R&D et de facto du nombre de nouveaux projets sur le territoire national. Toutefois, sur la période 2005-2017, c’est à un rythme soutenu que de nombreuses initiatives ont pu voir le jour, soutenues par l’ADEME, BPIFrance et l’Agence Nationale de la Recherche.

Tableau présentant l’ensemble des projets soutenus par l’ADEME, l’ANR et Bpifrance sur la thématique algue sur la période 2005-2017[xii]

Financeur

Nombre total de projets soutenus

Coût total (M€)

Aide publique apportée (M€)

ADEME

8 projets, 5 thèses

6,8

3,8

ANR

44

82,7

23,4

Bpifrance

20

66,4

33,9

 

Parmi ces projets on peut citer notamment Vasco 2 à Fos sur Mer (qui sera, sous réserve de financement suffisant, bientôt prolongé en Vasco 3[xiii]) qui vise à traiter des fumées industrielles en captant le CO2 pour la croissance des microalgues, elles même valorisées en biocrude via la liquéfaction hydrothermale au CEA LITEN.

Quelques autres projets en France sur le thème des biokérosène 3G ont émergés en France tels que Probio3 (2012), porté par l'INRA avec des partenaires comme le CNRS, EADS, Tereos et Sofiprotéol ou de manière plus lointaine Lipicaero (2008). C’est malheureusement beaucoup trop peu vis-à-vis de l’ampleur de la tâche qui reste à accomplir pour imaginer un jour, décarboner le secteur aérien.

Aujourd’hui, un seul véritable projet de production de micro-algues est moteur en France : LLDC Algae en Bretagne qui envisage d’en produire 2 500 tonnes (de chlorella) par an sur moins de 5ha, soit plus de 500t/ha/an, bien au-delà des meilleurs rendements actuels[xiv]. Ce projet fonctionne en cycle où « rien ne se perd, tout se transforme ». La production a commencé à la fin de l’hiver 2019 et l’exploitant vise en premier lieu le marché de l’alimentation animale. Le projet n’a par ailleurs reçu aucune subvention publique et est autofinancé pour un budget global d’environ 30 millions d’euros.

Tombé à leur plus bas niveau en 2017 (~1 Mds €-)[xv], les investissements de R&D dans les biocarburants toutes générations confondues sont timidement repartis à la hausse en 2018 (2,2 Mds €), très loin du niveau de 2010 (7,1 mds€). Ceci étant expliqué en partie par la stagnation voire la baisse très forte des prix du brut sur le marché mondial.

Concernant les carburant dits de « 3e génération » par le raffinage de biomasses liquides telles que les micro-algues (et pourquoi pas demain avec des cultures de levures ou champignons ?) leur avenir est aujourd’hui incertain du fait du très fort coût de production de la biomasse. Demain, ils seront un maillon essentiel pour trouver un relais aux besoins grandissant de biomasses au niveau mondial, mais, à l'heure actuelle, la commercialisation à grande échelle n'est pas envisagée avant 2020/2025.

L’avenir proche est (peut-être) du côté des nouveaux moyens de produire, de manière décentralisée, du gaz vert : la pyrogazéification, le Power-to-gas et la gazéification hydrothermale qui ont le vent en poupe et dont l’usage final du gaz dans la mobilité[xvi] permettrait de décarboner ainsi que de réduire drastiquement les émissions de polluants atmosphériques. 

Une analyse de Mathieu Morel. 

Sia Partners

 

[iv] Panorama 2018, Tableau de bord des biocarburants 2017 IFP Énergies nouvelles et Ademe, Produire des biocarburants avancés

[v] Academic journals, calculs Sia Partners
[vi] Production industrielle de microalgues et de cyanobactéries – Techniques de l’ingénieur - 2017

[vii] Présentation biocarburants 3G, CEA, Décembre 2012

[viii] Jean-Philippe Steyer, directeur de recherches au laboratoire de biotechnologie de l'environnement de l'Inra à Narbonne

[x] INRA, 2012

[xi] EU Seventh Framework Programme

[xii] Séminaire microalgues, Compte Rendu de séance ADEME 2018

[xv] Panorama 2018, Tableau de bord des biocarburants 2017 IFP Énergies nouvelles

[xvi] A quand l’utilisation généralisée du gaz comme carburant ?

 

 

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