Alimentation animale, compléments alimentaires, cosmétiques… Les microalgues parviendront-elles à dépasser les marchés de niche auxquels elles sont aujourd’hui cantonnées pour être mises à profit dans la production de biocarburants de troisième génération ? Jusqu’à récemment, Jean-François Sassi, le responsable du groupe de recherche sur les procédés et technologies des microalgues au CEA, n’y croyait plus. « Il y a deux ou trois ans, je me disais que c’était fini et que nous allions en rester à une industrie de valeur ajoutée. Mais les industriels, en particulier ceux du pétrole, ont réinvesti avec une volonté de déboucher sur de réelles applications dans les biocarburants. »
L’intérêt est mondial, notamment dans les pays producteurs de pétrole. «Ilsont tous des feuilles de route sur l’aquaculture, qui incluent la production de microalgues pour une utilisation en énergie », affirme Jean-François Sassi. En Occident, le mouvement est parti des États-Unis. «ExxonMobil a investi en amont dans des sociétés de biotechnologies pour optimiser les souches d’algues. Aujourd’hui, ils souhaitent développer un véritable pilote industriel. » En France, Total a pris ce virage en 2012, avec des partenariats dans le monde entier, dont un accord-cadre signé avec le CEA il y a un an et demi. « Notre progression n’a pas été linéaire, précise Laurent Fourage, le responsable du programme algues au sein de la division biocarburants. Il y a une accélération depuis deux ou trois ans. »
L’intérêt suscité par les microalgues pour la production de biocarburants remonte aux années 2000. Mais par rapport à cette première vague, les choses ont changé. « L’utilisation du dioxyde de carbone (CO2) est maintenant une donnée d’entrée importante, ce n’était pas le cas avant, note Jean-François Sassi. Le premier argument pour développer la filière était le cours du pétrole, avec un prix du baril pressenti pour dépasser les250 dollars fin 2008. » La crise qui a frappé l’économie mondiale cette année-là en a décidé autrement.
Des rendements supérieurs
Comme les plantes ou les arbres à la base des biocarburants conventionnels et avancés, les microalgues utilisent la lumière du soleil et le CO2 de l’atmosphère pour se développer lors de la photosynthèse. Mais certaines produisent aussi des lipides qui peuvent être extraits sous forme d’huile. De quoi envisager deux utilisations. Le recours aux microalgues en tant que biomasse pouvant être convertie en biopétrole par liquéfaction hydrothermale sous pression et à haute température. Et l’extraction de leur huile pour produire des biocarburants. « La première voie est plus mature, mais les deux voies nous intéressent de par la variété des produits auxquels elles donnent accès », précise Laurent Fourage. Le passage par un biopétrole permet de produire presque toutes les molécules obtenues par raffinage de pétrole classique. L’extraction de l’huile permet d’alimenter des bioraffineries qui font de l’hydrotraitement d’huile végétale ou de produire des biodiesels par transestérification.
Par rapport aux plantes, les microalgues ont une bonne efficacité photosynthétique, assure Jean-François Sassi. « Elles ont une productivité en biomasse qui représente presque le double. » De plus, leur croissance et leur production sont continues. « Il n’y a pas de saison, ajoute François Ioos, le directeur des biocarburants chez Total. Elles peuvent être produites toute l’année. » Un avantage certain par rapport aux biocarburants conventionnels pour lesquels la ressource n’est exploitable que lorsque le fruit de la plante ou son organe de réserve sont récupérables. « Rapporté à une surface au sol, cela donne des rendements facilement cinq fois supérieurs par rapport aux biocarburants conventionnels », résume Jean-François Sassi. Par ailleurs, nul besoin de sol fertile pour la culture de microalgues qui s’effectue hors-sol ou dans des bassins. Il est même possible de cultiver des espèces marines là où l’eau douce manque. Solution que Total indique privilégier. « Nous concentrons nos efforts sur des souches d’eau de mer ou des souches d’eau douce qui supportent l’eau plus salée », souligne Laurent Fourage.
Recyclage favorisé
Enfin, les procédés de culture de microalgues se développent dans une logique de recyclage des intrants fertilisants, souvent issus de la pétrochimie. « Avec les procédés de liquéfaction hydrothermale que nous développons, nous avons la possibilité de n’utiliser que la fraction hydrocarbonée de l’algue et de récupérer les espèces azotées et phosphorées pour les reminéraliser et les réinjecter en tête de procédé », indique Jean-François Sassi.
Tous ces avantages séduisants nécessiteront la levée de verrous technologiques avant d’envisager une production à grande échelle. «Lesefforts concernent l’amélioration de la balance énergétique du procédé et la diminution du coût de production », précise François Ioos. Les leviers résident dans le recyclage de l’énergie thermique des procédés et l’utilisation de sources d’énergie peu chères, renouvelables et non émettrices de CO2.
Un travail de sélection et d’optimisation
Concernant les procédés de culture, le défi consiste à faire en sorte que les microalgues se reproduisent en quantité tout en produisant des molécules d’intérêt – ici des lipides. Car celles-ci ne sont produites qu’en condition de stress. Par exemple une carence sur la fertilisation azotée qui déclenche une réaction métabolique afin de produire des réserves. Mais en cas de stress, la microalgue ne se reproduit plus. Pour obtenir des microalgues intéressantes, des recherches sont menées sur la sélection variétale. Beaucoup d’espèces sont recensées et disponibles dans des collections publiques. Un travail d’optimisation est également effectué, en modifiant la voie métabolique des lipides, soit avec des outils de génétique moléculaire, soit par évolution dirigée et accélérée – par exemple en les exposant à des rayonnements ultraviolets – pour isoler les individus les plus intéressants au fil des générations. « Par ces approches, nous avons réussi à obtenir des souches qui produisent quatre fois plus de lipides par rapport à un variant d’origine issu d’une collection publique », souligne Jean-François Sassi. Une fois qu’une souche intéressante est isolée, encore faut-il qu’elle soit suffisamment robuste pour être cultivée en quantité, et toute l’année. Cela est d’autant plus vrai lorsque la culture s’effectue en bassin ouvert. La microalgue est alors soumise aux aléas climatiques et aux attaques d’autres organismes.
« Par optimisation du procédé, nous avons obtenu des gains de productivité sur une culture pilote en extérieur, pointe Laurent Fourage. Nous avons aussi fait de très gros progrès en laboratoire au niveau des souches. » Reste à faire la connexion entre les deux, ajoute-t-il en restant prudent quant aux résultats espérés.
Si les travaux en sont encore au stade de la recherche, l’objectif est clair pour Total : être capable, d’ici à 2025, de produire 60 000 litres d’huile par hectare et par an à l’échelle du pilote. « C’est dix fois plus que les plantes terrestres les plus productives », souligne François Ioos. Quant à la production de biocarburants algaux à l’échelle industrielle, l’horizon 2030 semble se dessiner.
