Nul n’est sans savoir que le changement climatique impose de réduire rapidement les émissions de gaz à effet de serre (GES), un levier majeur étant la décarbonation (défossilisation devrait-on dire) des transports. En France, ils représentent 34% des émissions totales (soit 127 millions de tonnes de CO₂ en 2023 [1]), dont la très vaste majorité (plus de la 94%) provient du transport routier, le reste étant surtout l’aérien et le maritime. Précision importante concernant l’aérien, ici n’est comptabilisé que les émissions du trafic national (soit 4 millions de tonnes de CO₂), ces dernières montent jusqu’à 22,1 millions de tonnes si le transport aérien international en France est considéré [2].

Ainsi, il n’existe que deux grands moyens de réduire l’impact de nos déplacements (et celui de nos marchandises) : limiter les usages et réduire l’impact carbone de l’énergie permettant ces mobilités. La première solution est éminemment politique (du moins jusqu’à ce que des contraintes géologiques ne s’imposent d’elles-mêmes) et dépassent largement mes compétences, quant à la deuxième, certaines solutions techniques apparaissent, voire, se développe à grande échelle.

En premier lieu, l’électrification apparaît aujourd’hui comme l’une des solutions les plus efficaces surtout pour les transports routiers où dans un territoire où le mix électrique est bas carbone. En effet, malgré la faible densité énergétique des batteries comparée au carburant liquide (d’un facteur compris entre 50 et 100), le meilleur rendement et la masse réduite des moteurs électriques rend ce système particulièrement pertinent pour les véhicules légers et sur distances modérées (inférieures à 190 km pour une voiture par exemple [3]). A l’inverse, quand il s’agit de faire naviguer les 200 000 tonnes d’un porte conteneur, ou de faire décoller puis voler sur les 500 tonnes d’un A380 sur plusieurs milliers (voir dizaines de milliers) de kilomètres, il n’existe pas d’alternative aux carburants liquides.

En ce sens, l’Europe a mis en place le règlement ReFuelEU Aviation qui vise à augmenter la part de carburant d’aviation durable (dont le sigle anglais est SAF) utilisé dans le transport aérien (6% en 2030 pour monter rapidement jusqu’à 70% d’ici 2050). Ces SAF comprennent à la fois les carburants de synthèse (e-fuels) et les biocarburants, ce sont ces derniers qui vont nous intéresser.

Pourquoi les carburants renouvelables

Pour qu’un carburant soit appelé durable, l’idée est simple : le carbone constituant ce combustible ne doit être pas d’origine fossile et donc, même si par principe il sera libéré forme de CO₂ lors de la combustion, il ne contribue pas à une accumulation de gaz à effet de serre dans l’atmosphère… en théorie, puisque la production d’un carburant liquide à fort potentiel énergétique à partir d’une source de carbone généralement oxydée nécessite de l’énergie (on ne coupera pas au premier principe de la thermodynamique). Pour les e-fuels, cette source d’énergie sera le plus souvent de l’électricité (espérons bas carbone), et pour les biocarburants ce sera l’énergie solaire (via la photosynthèse) permettant la production de biomasse « récente » (a contrario de la matière organique transformée en pétrole dans les sous-sols pendant des millions d’années) qui sera elle-même transformée en carburant. Dans ce dernier cas, ce sera surtout cette énergie nécessaire à la transformation qu’il faudra considérer, l’énergie solaire étant « gratuite » et sans émission de GES.

On comprendra donc vite qu’au-delà de la faisabilité technique, le bilan environnemental de ces carburants durables dépend de nombreux paramètres, dont l’énergie nécessaire à leur obtention (on parlera du ratio énergie produite / énergie consommée, nommé par le sigle anglais EROI), et notamment pour les biocarburants, de la ressource utilisée, auxquels s’ajoutent d’autres contraintes mentionnées par la suite. On parle alors de générations successives de biocarburant, selon la nature de la matière première et les progrès technologiques associés.

Les biocarburants de première génération

Les biocarburants de première génération, parfois appelés agrocarburants, sont produits à partir de cultures alimentaires ou fourragères. Certains peuvent être intégrés assez facilement aux infrastructures existantes, notamment sous forme de bioéthanol (à base de maïs et canne à sucre pour les Etats-Unis et Brésil, respectivement) ou de biodiesel (à base de colza ou tournesol en UE) [4]. Avec une production mondiale de 100 milliards de litres en 2010 [4], ils ne représentaient que 0,6% des énergies renouvelables consommées (qui elles-mêmes ne sont que 16% de la consommation finale d’énergie à l’échelle mondial).

D’un point de vue du bilan énergétique et environnemental, comme à chaque fois, la méthodologie a un effet significatif sur les résultats quantitatifs. A l’image du EROI où les études ne prennent pas toujours en compte la localisation géographique, les technologies de production, de récoltes et de transformation ou encore les externalités environnementales négatives comme la gestion des coproduits. Ainsi une grande variabilité est notée avec un EROI allant de 1 à 4 pour le biodiesel à base de tournesol, de 2 à 8 pour le bioéthanol issu de la canne à sucre [4].

Concernant les analyses cycle de vie réalisées, elles incluent le bilan environnemental allant de la production à la consommation mais négligent souvent le changement d’affectation des sols, autrement dit, si la culture de la biomasse pour les biocarburants a pris la place de milieux naturels ou est sur terres déjà cultivées et donc a déplacé la production alimentaire. Sans entrer dans un débat scientifique, là où les premières études estimées une réduction des émissions de GES de 20 à 60%, l’impact environnemental positif des agrocarburants comparés aux carburants fossiles est désormais bien plus contrasté.

Aussi, la nature même de la matière première des agrocarburants crée de la tension sur les marchés alimentaires. Rien qu’en 2011, 21% de la production mondiale de sucre et 11% des huiles végétales ont été transformés en biocarburant entrainant une corrélation entre prix des denrées énergétique et alimentaire et potentiels problèmes de sécurité alimentaire.

Si on y ajoute le besoin en eau, engrais et parfois en pesticides, les agrocarburants ont pu montrer qu’une alternative était possible, mais aussi qu’il fallait trouver des voies plus durables.

Les biocarburants de deuxième génération

Les biocarburants de deuxième génération contournent une partie des limites des agrocarburants en transformant des matières premières non alimentaire comme les matériaux lignocellulosiques, la biomasse non comestible et les déchets organiques. En pratique, cela inclut par exemple la paille, les copeaux de bois, les résidus forestiers ou certains déchets solides. L’idée est de valoriser des ressources plus abondantes et moins concurrentielles avec l’alimentation [5].

Sur le papier, cette génération peut contribuer à une économie plus circulaire en intégrant les déchets dans les chaînes de valeur énergétiques. Les obstacles techniques sont toutefois nombreux, avec notamment une biomasse lignocellulosique difficile à décomposer. Les procédés de conversion sont donc complexes, plus chers et encore difficilement rentables dans beaucoup de cas.

Les biocarburants de deuxième génération ont franchi une étape importante sur le plan scientifique, mais leur déploiement massif reste limité.

Ce que changent les biocarburants de troisième génération

C’est dans ce contexte qu’apparaissent les biocarburants de troisième génération, souvent associés aux microalgues, autrement dit des microorganismes photosynthétiques autotrophes. Ils utilisent ainsi la lumière, le CO₂ et des nutriments pour produire rapidement de la biomasse. Ils ont une productivité surfacique 10 à 30 fois supérieure aux plantes terrestres (comme le maïs) [6] et certaines espèces peuvent accumuler des lipides, ce qui les rend intéressantes pour la production de biodiesel [7].

Ces microalgues n’ont pas besoin de terres agricoles fertiles au sens classique du terme, et peuvent être cultivés dans des photobioréacteurs ou des bassins (communément appelés raceways). Il est donc possible de découpler partiellement la production d’énergie des contraintes agricoles traditionnelles. Cela en fait une filière particulièrement attrayante dans une logique de bioéconomie circulaire. Elles peuvent aussi être combinées à d’autres objectifs, comme la dépollution des eaux ou la capture de carbone, ce qui augmente leur intérêt systémique.

Il faut, cependant, rester prudent : les biocarburants de troisième génération ne sont pas encore une solution miracle. Leur intérêt repose surtout sur un potentiel, encore freiné par des défis majeurs de production, de récolte et de transformation.

Les défis à résoudre pour la 3^ème génération de biocarburant

D’un point de vue procédé, l’ensemble des opérations unitaires doivent optimiser le EROI et l’impact carbone. Pour les systèmes cultures, il faut maximiser la captation du carbone et de l’énergie solaire « utile » à la photosynthèse par la biomasse, tout en minimisant l’énergie utilisée pour la régulation thermique des bassins et les appareils annexes (pompes, roue à aube, instrumentation etc). La maitrise des contaminations par d’autres microorganismes est aussi un sujet. De même, la déshydratation de la biomasse lors de la récolte et les procédés de transformation doivent être économe en énergie. La liquéfaction hydrothermale est à ce titre intéressante car elle permet de transformer en biohuile une biomasse partiellement humide mais nécessite de monter à hautes températures et pressions. À laquelle, il faut ajouter une étape d’hydrotraitement et de raffinage.

Il faut aussi que l’ensemble de ces opérations soit intégré de manière circulaire pour maximiser le recyclage de l’eau et autres nutriments (carbone, mais aussi l’azote et le phosphore résiduels), point fondamental pour la durabilité du procédé [7].

Une fois ces considérations techniques résolues, la localisation des cultures est un enjeu en soit car elle doit garantir un accès à de l’eau et à des sources de CO₂ biogénique (autrement dit non issu de la combustion d’énergie fossile [8]) assez concentrées, et à la disponibilité de terrain plat avec un minimum d’ensoleillement à l’année sans que cela ne suscite de tension sur d’autres besoins (agriculture, logement, espaces naturels etc).

On réalise alors que la tâche est ardue pour intégrer toutes ces contraintes tout en assurant une rentabilité économique. Cela ne peut être résolu sans prendre en compte l’ensemble de la chaîne de valeur et l’établissement de différents scénarios dont les hypothèses doivent être rigoureusement posées pour voir si, et dans quels contextes, ces biocarburants de 3^ème génération sont viables.

Les projets européens, comme COCPIT ou SUNFUSION, ont la force de frappe pour répondre à cette question en fusionnant les compétences de dizaine de partenaires à travers l’UE. La plateforme AlgoSolis et le laboratoire GEPEA à Nantes et à St-Nazaire sont ainsi pleinement impliqués depuis plusieurs années dans ces projets. J’espère pouvoir récrire dans quelques années dans ces colonnes pour vous faire part de nos conclusions !

Pierre Albrand est Maître de Conférences en Génie des Procédés à Nantes Université rattaché à l’IUT de St-Nazaire et à l’équipe Bioprocédés Appliqués aux Microalgues (BAM) au laboratoire GEPEA aussi à St-Nazaire. Il est lauréat du programme PULSAR sur la période 2023-2025, soutenu par la Région Pays de la Loire et Nantes Université (soutien financier aux jeunes chercheurs et chercheuses), ainsi que d’une aide financière Trajectoire Europe pour le recrutement d’un.e postdoc dans le cadre du projet SUNFUSION dont il est le responsable scientifique pour Nantes Université.

Sources

[1] Les émissions de gaz à effet de serre des transports https://www.notre-environnement.gouv.fr/themes/climat/les-emissions-de-gaz-a-effet-de-serre-et-l-empreinte-carbone-ressources/article/les-emissions-de-gaz-a-effet-de-serre-des-transports

[2] Les émissions gazeuses liées au trafic aérien https://www.ecologie.gouv.fr/politiques-publiques/emissions-gazeuses-liees-trafic-aerien

[3] Batteries: Higher energy density than gasoline?   https://doi.org/10.1016/j.enpo...

[4] Les biocarburants de première génération : un bilan mondial mitigé https://hal.inrae.fr/hal-02642405/document

[5] L’avenir des biocarburants de deuxième génération est assuré grâce à des technologies révolutionnaires https://cordis.europa.eu/article/id/442093-breakthrough-technologies-secure-future-of-second-generation-biofuels/fr

[5] The microalgal sector in Europe: Towards a sustainable bioeconomy https://doi.org/10.1016/j.nbt....

[6] Investigation of biomass and lipids production with Neochloris oleoabundans in photobioreactor https://doi.org/10.1016/j.biortech.2009.06.004

[7] National Research Council, et al. Sustainable development of algal biofuels in the United States. National Academies Press, 2012.

[8] Assessing the potential of carbon dioxide valorisation in Europe with focus on biogenic CO2. https://doi.org/10.1016/j.jcou...