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UTILISATION DES MICROALGUES COMME SOURCE D'ÉNERGIE DURABLE par François Doré-De

UTILISATION DES MICROALGUES COMME SOURCE D'ÉNERGIE DURABLE par François Doré-Deschênes Essai présenté au Centre Universitaire de Formation en Environnement en vue de l’obtention du grade de maître en environnement (M.Env.) CENTRE UNIVERSITAIRE DE FORMATION EN ENVIRONNEMENT UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE Longueuil, Québec, Canada, juin 2009 IDENTIFICATION SIGNALÉTIQUE UTILISATION DES MICROALGUES COMME SOURCE D'ÉNERGIE DURABLE François Doré-Deschênes Essai rédigé en vue de l’obtention du grade de maître en environnement (M.Env.) Sous la direction de monsieur Guy Viel, directeur général du CRBM Université de Sherbrooke juin 2009 Mots clés : algocarburants, alternatives énergétiques, applicabilité, biomasse, bioréacteurs, développement durable, GES, microalgues, pétrole. Le pétrole représente la principale source d’énergie fossile dans le monde. L’exploitation des sources fossiles est de plus en plus associée à des problèmes environnementaux, géopolitiques et économiques. Le développement des agrocarburants a provoqué une explosion du prix des aliments ainsi que plusieurs problèmes environnementaux et humains. Des installations de productions de microalgues peuvent dépasser les taux de productivité des meilleures cultures agricoles conventionnelles par plus de dix fois. Le concept des algocarburants peut représenter une des meilleures options énergétiques pour l’avenir. Exploitables en zones incultes, les technologies algales peuvent permettre de réduire les émissions de GES et d’épurer les eaux usées. De plus, des quantités massives de protéines, et autres substances utiles, pourraient aussi être générées. L’applicabilité du concept dépend de multiples facteurs et elle est analysée à partir des principaux pôles du développement durable. Ce concept prometteur reste confronté aux carburants fossiles ainsi qu’à plusieurs défis scientifiques, économiques et politiques. À moyen terme, l’essor du concept algal pourrait dépendre d’une amélioration substantielle de la productivité des procédés, d’une juste évaluation comparative des externalités et des conséquences découlant de l’exploitation des sources fossiles d’énergie ainsi que d’un soutien suffisant de la population. i SOMMAIRE Les sociétés industrielles dépendent d’approvisionnements abondants et constants en ressources énergétiques pour fonctionner et progresser. Les sources fossiles d’énergie comblent la plus grande part des besoins énergétiques mondiaux. Le pétrole est la source d’énergie fossile la plus utilisée. Il est essentiel au secteur stratégique des transports. L’exploitation des combustibles fossiles provoque des effets globaux substantiels. Ils sont la source d’émissions de divers polluants comme les GES liés aux changements climatiques. Ils sont aussi la cause de plusieurs impacts économiques et géopolitiques négatifs. L’instabilité des cours pétroliers, les changements climatiques et la dépendance excessive du secteur névralgique des transports au pétrole, ont stimulé la production de biocarburants de sources agroalimentaires comme le maïs et le soya. Cette demande en biocarburants d’origines agricoles a provoqué une augmentation significative du prix des produits alimentaires de base avec de graves conséquences humaines. De plus, l’accroissement de la production agricole produit, entre autres, des problèmes de déforestation, d’érosion, de contamination et de surconsommation d’eau. Le concept de produire industriellement des biocarburants à base de microalgues se développe depuis plusieurs années. Il pourrait bien représenter une solution durable importante aux problèmes exposés précédemment. Cet essai à comme objectif de présenter, d’expliquer et d’évaluer l’applicabilité du concept algal pour peut-être aussi contribuer au soutien des travaux en ce sens. Les microalgues sont des microorganismes très anciens. Ils ont transformé et oxygéné l’atmosphère terrestre primitive et ils participent encore au maintien de son équilibre chimique. Il existerait au moins 100 000 espèces de microalgues, dont une cinquantaine seulement sont bien connues parmi les 40 000 déjà étudiées. Il reste donc encore un très grand potentiel à explorer. Ces microorganismes primitifs capturent, concentrent et fixent efficacement l’énergie diffuse de la lumière ou de sources organiques dans la biomasse algale. Cette biomasse peut alors générer divers biocarburants. De plus, les microalgues peuvent aussi produire des substances nutraceutiques rentables, de grandes quantités de protéines et des fertilisants. Les procédés de production de biomasse algale sont variés. ii Certains procédés peuvent permettre d’absorber le CO2 atmosphérique et les émissions de GES de divers procédés comme celles qui sont issues des centrales au charbon. Leur grande capacité d’épuration d’effluents industriels, municipaux ou agricoles, peut aussi être avantageusement exploitée. Les microalgues présentent un potentiel de productivité de biomasse pouvant dépasser dix fois les meilleures cultures agricoles conventionnelles. La production industrielle de microalgues se présente donc, de plus en plus, comme une solution durable intéressante pour faire face aux problématiques énergétiques, environnementales et alimentaires actuelles. Des facteurs de production, comme : le climat, la localisation, les souches de microalgues, la disponibilité des ressources de base et le marché des produits à valeur ajoutée, peuvent grandement influencer la productivité. Ainsi, ces facteurs influencent le niveau d’applicabilité des projets basés sur le concept algal. Les modes et les procédés de production ont évolué au cours des années. Dans le cadre de cet essai, une sélection a été effectuée parmi les activités de recherche passées et en cours afin de choisir les plus représentatives de l’historique et du développement des principales technologies. Ainsi, il est ressorti que le mode autotrophe, le plus répandu et développé. Avec l’énergie solaire, il permet de convertir le CO2 en biomasse algale polyvalente. Les procédés autotrophes les plus étudiés sont constitués de divers types de bassins et de photobioréacteurs (PBR). Par ailleurs, les procédés hétérotrophes utilisent des bioréacteurs fermés alimentés d’effluents riches en hydrates de carbone. Indépendants des conditions climatiques. Les procédés hétérotrophes représentent donc un potentiel d’exploitation intéressant pour les zones nordiques. L’application de ce concept en régions froides présente des défis particuliers. Ainsi, plusieurs aspects entourant la concrétisation du concept algal en zones nordiques sont étudiés dans cet essai. En outre, on présente aussi une technologie canadienne qui est actuellement développée pour opérer efficacement tous les mois dans les conditions climatiques locales. L’analyse de l’applicabilité des variantes du concept est effectuée selon les pôles du développement durable. L’étude des facteurs technologiques et scientifiques démontre l’importance qu’ont sur la productivité en bassins les effets de l’ensoleillement, du climat, et de la disponibilité des nutriments incluant celle du CO2 en particulier. iii L’analyse fait aussi ressortir l’importance des choix technologiques, en comparant les rendements de plusieurs initiatives. De plus, la sélection de l’espèce de microalgue se révèle être un facteur de productivité fondamental, car les caractéristiques de ces organismes sont très variées. Les principales approches technologiques de production (mode autotrophe en bassins, en PBR, mode hétérotrophe) sont étudiées et comparées. Le potentiel de productivité des bioréacteurs hétérotrophes, qui dépendent encore de sources agroalimentaires, apparaît supérieur à celui des technologies autotrophes. Toutefois, les bassins sont beaucoup plus simples et abordables que les autres approches mais ils doivent être très grands pour devenir rentables et leur productivité est sensible à l’ensoleillement, à la température et à l’apparition d’espèces indésirables. Les PBR sont plus productifs mais plus dispendieux, fragiles et complexes. Ils seraient préférables aux bassins en zones nordiques ou comme incubateurs de cultures. L’analyse des aspects économiques fait ressortir que le concept serait rentable avec un prix du baril de pétrole supérieur à 80 $ et que sa généralisation pourrait avoir des effets bénéfiques à long terme. Cette technologie répond aux critères du développement durable. Mais l’usage possible d’OGM et de pesticides suscite des inquiétudes. Les effets sociaux seraient particulièrement positifs dans les pays émergeants situés en zones tropicales particulièrement propices à l’algoculture. En conclusion, depuis des années à travers le monde, ce concept est l’objet d’études qui confirment son grand potentiel. Les températures moyennes élevées, la luminosité intense et la main d’œuvre compétitive de plusieurs zones chaudes ou tropicales les rendent les plus favorables au concept. Les technologies hybrides comportant des éléments issus des bassins et des PBR pourraient permettre d’atteindre des niveaux suffisants de productivité dans une grande diversité de contextes et de latitudes. Par ailleurs, la nécessité d’optimiser la productivité des microorganismes est soulignée, car elle apparaît nécessaire à l’atteinte de niveaux de productions rentables. Durant la période de transition qui s’est amorcée, les partisans de cette nouvelle voie devront affronter la forte compétition offerte par les carburants fossiles encore très abondants et par des substituts pétroliers issus, entre autres, de différentes sources agricoles. Une comptabilité renouvelée qui inclurait l'évaluation des externalités de tous les projets énergétiques et la diffusion régulière d’informations sur les enjeux et les avantages des nouvelles technologies vertes pourraient stimuler l’essor du concept algal. iv REMERCIEMENTS Je tiens à remercier mon directeur d’essai, Monsieur Guy Viel, Directeur général du Centre de recherche sur les biotechnologies marines. Dès le départ, j’ai été heureux de constater que nous partagions un réel intérêt pour le sujet et il a perçu avec justesse l’ampleur du projet. Ainsi, il a su m’aider à cibler plusieurs aspects importants à développer. Il m’a guidé tout en me réservant un niveau optimal de liberté par une gestion souple mais attentive des échéances. Ses suggestions et rétroactions ont permis la couverture d’éléments fondamentaux et ses commentaires encourageants furent particulièrement appréciés lors des périodes de rédaction les plus laborieuses. Un merci tout spécial est adressé aux administrateurs du programme. Le souci et l’intérêt soutenus manifestés pour l’aboutissement de ce projet furent stimulants. L’écoute, l’ouverture et l’attention reçues furent indispensables et très appréciées. Enfin, je remercie tout particulièrement ma famille et mes amis pour leur support. uploads/Industriel/ utilisation-des-microalgues-comme-source-d-x27-energie-durable.pdf