Biocarburants, le CEA sur la piste de la troisième génération

Culture d’algues en flacons, photo CEA

L’effet de serre, l’épuisement des ressources naturelles, les variations du prix du pétrole sont des sujets de forte préoccupation à l’échelle mondiale. Face à ces enjeux énergétiques et écologiques majeurs un effort public national soutenu est lancé en faveur des nouvelles technologies de l’énergie, renouvelables et non génératrices de gaz à effet de serre. La maitrise de ces nouvelles technologies revêt une telle importance en termes de compétitivité, qu’il est nécessaire que la France cherche à prendre une position en pointe dans ce domaine pour assurer un avantage compétitif à son économie et à ses entreprises. Le CEA a vu récemment ses missions élargies en ce sens.

À l’échelle terrestre, l’énergie solaire reçue représente environ 10 000 fois la consommation énergétique annuelle de l’humanité. Elle constitue donc de toute évidence la source primaire d’énergie renouvelable la plus abondante. Cependant, son utilisation reste soumise au  développement de systèmes de conversion et stockage efficaces et économiquement viables.

La photosynthèse est un excellent moyen naturel de conversion et de stockage de l’énergie solaire, sous une forme stable et durable (biomasse/carbone organique). L’idée d’utiliser la photosynthèse commence à être intégrée dans les stratégies économiques via l’émergence des biocarburants.
La production de biocarburants est l’une des réponses privilégiées par la France et l’Union européenne aux défis énergétiques des transports à l’horizon 2020. L’UE vise notamment l’utilisation des biocarburants pour 10% des carburants consommés par les transports en 2020.
Les biocarburants de 2ème génération qui utilisent la matière non alimentaire des plantes (paille, tiges, bois, etc.) présentent dès à présent un bilan écologique plus satisfaisant que la première génération. Le CEA est fortement impliqué dans leur développement, et suit pour cela deux directions parallèles :

  • lever les verrous technologiques persistants sur les étapes de production, et l’augmentation des rendements masse par l’apport d’énergie externe,
  • maîtriser l’intégration des différentes étapes technologiques pour de futurs procédés industriels.

Ces deux axes permettent d’étudier différents critères sur l’ensemble d’une chaîne de production : rendements, matières valorisées, bilans CO2, coûts, etc.
Le CEA est engagé dans deux projets: BioTfuel et Syndiese, qui expérimentent des technologies différentes.

Parallèlement à cette recherche technologique, qui vise la mise au point de démonstrateurs ou prototypes pré-industriels, le CEA mène, à travers sa Direction des sciences du vivant, une recherche plus fondamentale consacrée à la 3e génération de biocarburants, qui permettra de s’affranchir d’une occupation des sols dédiée à la culture de la biomasse.

Grâce aux  études structurales des enzymes (hydrogénases) ainsi que sur les catalyseurs et la chimie bio-inspirée, le CEA a lancé en 2005 un programme BioH2, pour renforcer la recherche sur la production de bio-hydrogène. Depuis 2007, ces recherches ont été élargies à l’exploration des capacités de synthèse, par voie biologique ou bio-inspirée, de composés carbonés riches en énergie utilisables comme source de biocarburants (biolipides, bioéthanol…) et également à l’élaboration de catalyseurs alternatifs au platine pour des utilisations en pile à combustible.

Production de biocarburants par les micro-organismes
Le monde des micro-algues et des cyanobactéries constitue un formidable réservoir de biodiversité à peine exploré : sur un million d’espèces estimées environ 30 000 sont décrites. Or, il existe un potentiel considérable, et quasi inexploité, de production de bioénergie par l’action de ces micro-organismes photosynthétiques. En effet, certains d’entre eux ont la capacité de produire des composés d’intérêt énergétique comme les lipides (source de biodiesel) ou l’hydrogène (pour utilisation dans des piles à combustible et enrichissement de la biomasse). Leur utilisation permet d’envisager le développement de procédés innovants de production de biocarburants respectueux de l’environnement et n’entrant pas en compétition avec la production alimentaire.

La photosynthèse

Certains microorganismes utilisent la photosynthèse pour convertir l’énergie solaire en énergie chimique et fabriquer, à partir de dioxyde de carbone (CO2) atmosphérique, les molécules carbonées qui composent le vivant . Il s’agit là de l’origine de la biomasse. Pour transformer le dioxyde de carbone en biomasse, il faut le réduire, c’est-à-dire lui apporter des électrons.

Dans les organismes photosynthétiques, l’énergie solaire, sous forme de photons, est absorbée par la chlorophylle, un pigment vert situé dans la membrane des chloroplastes. L’énergie ainsi captée est transportée jusqu’à des centres réactionnels qui effectuent une séparation de charges libérant des protons et des électrons, servant à réduire le CO2 atmosphérique pour permettre la synthèse de molécules carbonées.

La production d’hydrogène

Structure moléculaire d’une hydrogénase

En parallèle de la production de biomasse à partir de CO2, certains microorganismes ont également la capacité de réduire des protons, toujours à l’aide des électrons libérés lors de l’oxydation de l’eau, pour donner de l’hydrogène. Cette réaction nécessite un couplage étroit entre la photosynthèse et une enzyme appelée hydrogénase.
De nombreux systèmes bactériens contiennent cette enzyme qui leur permet soit d’utiliser l’hydrogène, présent à l’état de trace dans le milieu naturel, comme source d’énergie, soit de le produire par réduction de l’eau comme un sous-produit de leur métabolisme. Ce processus est extrêmement efficace dans des milieux anaérobies (sans oxygène). Mais, lorsqu’il est couplé à la photosynthèse, il devient transitoire et ne dure que quelques minutes car il constitue une sorte de soupape de sécurité pour l’organisme soumis à certaines conditions de stress, comme une illumination soudaine en absence d’oxygène.