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Biocarburants de dernière génération

Le groupe ExxonMobil continue à financer et à effectuer des recherches sur les carburants de dernière génération. Ce travail se place dans le cadre de nos nombreux investissements dans les nouvelles technologies et pourrait transformer le paysage énergétique en augmentant considérablement les ressources, réduire les émissions et rendre nos opérations plus efficaces. 

Nous finançons une large gamme de programmes de recherche sur les biocarburants qui englobent notre étude sur les carburants à base d'algues, ainsi que la conversion de biomasse non alimentaire, c'est-à-dire la biomasse cellulosique, en biocarburants avancés. Nous pensons que des avancées fondamentales sont possibles grâce à la technologie et que de nouvelles percées scientifiques sont nécessaires pour optimiser la biomasse et la transformer en carburant. Plus précisément, des avancées scientifiques sont indispensables pour permettre non seulement une utilisation économiquement viable et plus large des biocarburants, mais aussi pour les produire en protégeant mieux l'environnement, c'est-à-dire en réduisant les émissions de GES plus réduites au cours du cycle de vie. Dans ce type de recherches susceptibles d’être à l’origine de percées scientifiques, les premières étapes cruciales sont la compréhension des difficultés à surmonter et leur décomposition en plusieurs étapes plus faciles à résoudre scientifiquement.

Les scientifiques et les ingénieurs travaillant en université, dans des laboratoires publics et dans des entreprises étudient actuellement une large gamme de matières premières et de processus permettant de mettre au point des biocarburants de dernière génération. Nous collaborons avec certains de ces scientifiques et nous avons composé notre portefeuille de recherche pour aider au progrès des disciplines scientifiques que nous estimons nécessaires pour produire des biocarburants apportant un avantage environnemental.

Notre portefeuille de recherche en biocarburants de dernière génération inclut des collaborations de recherche centrées sur les biocarburants à base d’algues avec l’entreprise Synthetic Genomics Incorporated (SGI), la Colorado School of Mines et avec Michigan State University. Nous explorons une série de processus de conversion de biomasse pouvant être utilisés avec des matières premières non alimentaires telles que les biomasses cellulosiques entières, algues alimentaires et sucres dérivés de la cellulose. Ces programmes se déroulent actuellement avec le Renewable Energy Group (REG) et l’Université du Wisconsin.

Les algues

Les avantages de l’utilisation des algues

Il y a de nombreux avantages à l’utilisation des algues marines pour la production de biocarburants. Les algues peuvent être cultivées sur des terrains inutilisables pour d’autres activités, avec de l’eau impropre à l'alimentation. En plus de l’utilisation possible de terres non arables et de l’absence de besoin en eau potable, les algues peuvent aussi produire potentiellement de plus grandes quantités de biocarburant à l’hectare que d’autres sources de biomasse. Nous savons aussi que les algues peuvent être utilisées pour la production de biocarburants avec des compositions compatibles à celles des carburants actuellement utilisés dans le transport.

Qui plus est, la culture des algues peut apporter des avantages environnementaux. Les algues, qui consomment du CO2, offrent, contrairement aux carburants traditionnels, un potentiel d’atténuation des émissions atmosphériques. En 2012, des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology, ExxonMobil et l’entreprise SGI ont publié une évaluation des biocarburants à base d' algues dans un journal scientifique soumis à examen collégial, « Environmental Science and Technology ». Dans sa conclusion, cet article affirmait que, si les principales difficultés gênant la recherche étaient éliminées, les biocarburants à base d’algues présentaient moitié moins d'émissions de gaz à effet de serre sur l’ensemble du cycle de vie que celles générées par les carburants dérivés du pétrole.

En revanche, un vigoureux débat anime les milieux de la recherche universitaire en ce qui concerne l’empreinte carbone des biocarburants de première génération, ceux que l’agence américaine pour l’environnement définit comme issus de cultures alimentaires (telles que le maïs). Un grand nombre de publications passées en comité de lecture suggèrent que les émissions directes liées au cycle de vie sont inférieures à celles des combustibles fossiles, mais que les conséquences indirectes de la production des biocarburants de la première génération, y compris les changements apportés à l’utilisation des forêts et des terres arables d’utilisation agricole pourraient aboutir à des taux d’émissions atmosphériques supérieurs à ceux des combustibles dérivés du pétrole.

Pour ces raisons, le groupe ExxonMobil poursuit ses recherches dans les biocarburants de deuxième génération, afin de déterminer la manière dont ils pourraient s’insérer dans notre futur énergétique. Les biocarburants de deuxième génération sont définis comme produits à partir de récoltes non comestibles, de résidus de culture ou de gaz se créant biologiquement. Ils ne concurrencent pas l’approvisionnement alimentaire mondial. Les exemples comprennent les algues, les cannes de maïs, le miscanthus ou le méthane dégagé par l’activité microbienne dans les champs d’épandage.

La croissance des algues

Les algues peuvent être une source importante variée, non alimentaire et hautement attractive de molécules renouvelables qui peuvent servir de base à la production de biocarburants de deuxième génération. Certaines souches d’algues peuvent être optimisées pour produire des précurseurs au biodiésel. D’autres souches d’algues peuvent, après optimisation, devenir une source de sucres fermentables de composition similaire à celle des sucres extraits de grains de maïs et servent à la fabrication de biocarburants de première génération comme l’éthanol.

Recherches en biologie fondamentale des algues avec Synthetic Genomics

Le groupe ExxonMobil et SGI réalisent actuellement un programme de recherche fondamentale pour élaborer des carburants avancés à partir d’algues. Notre objectif est de développer plusieurs options de carburants avancés à base d’algues et de trouver les meilleures méthodes pour mettre ces technologies novatrices au service des consommateurs. Le programme prend pour points de départ les nombreuses perspectives que nous avons enregistrées et les progrès accomplis depuis l’annonce de notre alliance avec SGI en 2009.

Grâce aux technologies avancées d'ingénierie cellulaire de Synthetic Genomics, l'équipe de recherche d'ExxonMobil-Synthetic Genomics a récemment modifié une souche d'algues afin que son contenu en huile passe de 20 % à plus de 40 %. Les résultats de la recherche ont été publiés dans la revue scientifique Nature Biotechnology.

Les chercheurs du laboratoire de Synthetic Genomics de La Jolla ont découvert un nouveau procédé permettant d'augmenter la production d'huile. Ils ont identifié un gène qui pouvait être modifié pour réguler la conversion de carbone en huile dans l'espèces d'algue Nannochloropsis gaditana. L'équipe a adopté une démarche POC (Proof of Concept) qui a permis d'établir que les algues avaient doubler leur fraction lipidique du carbone cellulaire par rapport à la génération précédente - tout en continuant à croître.

« Cette étape capitale de notre programme de recherche sur les biocarburants de dernière génération renforce notre conviction que les algues peuvent être des sources d’énergie renouvelable extraordinairement productives avec un impact positif sur notre environnement, » a affirmé Vijay Swarup, vice-président Recherche et Développement d’ExxonMobil Research and Engineering Company. « Notre travail avec Synthetic Genomics constitue une partie importante de nos recherches sur les technologies à faibles émissions pour réduire les risques liés au changement climatique. »

Photo — Les scientifiques de Synthetic Genomics utilisent des technologies avancées d'ingénierie cellulaire

Les algues sont considérées comme une source potentielle de carburant durable, mais au cours des dix dernières années, les chercheurs ont été ralentis dans la mise au point d’une souche au contenu élevé en huile pouvant croître rapidement, deux caractéristiques essentielles pour une production d’huile économiquement viable à grande échelle. Lors des précédents essais visant à augmenter le volume de production d’huile des algues, l’un des effets secondaires observés était le ralentissement de leur croissance.

La collaboration entre ExxonMobil et Synthetic Genomics avait notamment pour objectif d’augmenter la teneur en lipides des algues tout en diminuant l’amidon et les protéines sans ralentir la croissance des organismes. Pour augmenter la production d’huile des algues, il est possible de limiter l’apport en nutriments tels que l’azote, mais cela peut ralentir considérablement, voire stopper, la photosynthèse, et ainsi retarder la croissance et, in-fine, le volume d’huile produite.

La possibilité de maintenir la croissance tout en augmentant la teneur en lipides constitue une avancée capitale. Par rapport aux biocarburants traditionnels, les algues présentent d’autres avantages : elles peuvent se développer dans de l’eau salée et dans des environnements difficiles, ce qui réduit les conflits potentiels avec l’alimentation humaine et les ressources d’eau douce.

En outre, l’huile produite à partir d’algues peut être traitée dans des raffineries traditionnelles qui produisent déjà les carburants conventionnels tels que le diesel qui a une forte densité énergétique. L’huile produite par les algues semble également prometteuse en tant que matière première pour la fabrication de produits chimiques.

Depuis 2009, ExxonMobil et Synthetic Genomics ont développé un partenariat de recherche et de développement d’huile à partir d’algues pour que les algues soient utilisées comme source d’énergie renouvelable à faibles émissions et comme une alternative aux carburants traditionnels dans le secteur du transport. Pour Monsieur Swarup, bien que cette avancée constitue une étape importante, il faudra encore de nombreuses années pour que cette technologie puisse éventuellement être commercialisée.

Les défis de la recherche

Nous avons encore à résoudre quelques obstacles techniques significatifs avant que la production de biocarburants à base d’algues ne devienne possible à une échelle commercialement viable. Afin de vaincre ces difficultés, nous cherchons à répondre à quelques questions fondamentales :

  • Pourquoi les algues utilisent-elles une portion relativement réduite de l’énergie lumineuse disponible ?
  • Quels sont les outils que nous pouvons utiliser pour améliorer l’utilisation que font les algues de la lumière, et ainsi améliorer les caractéristiques de la production ?
  • Comment mettre au point un organisme qui produise une quantité de biocarburant significativement supérieure ?

La principale difficulté est que les algues captent naturellement plus de lumière qu’elles ne peuvent en convertir en biocarburants. Seule une quantité fixe de lumière baigne la surface d’un étang ; nous voulons que les algues utilisent cette lumière de la manière la plus efficace possible. La quantité de lumière gaspillée varie largement selon la souche d’algue et les conditions de culture, mais elle est de l’ordre de 80 % ou plus. ExxonMobil et SGI effectuent des recherches fondamentales visant à diminuer la quantité de lumière gaspillée et augmenter la productivité de la biomasse en perfectionnant l’efficacité de la photosynthèse effectuée par chacune des cellules de l’algue. Pour atteindre cet objectif, l’équipe de SGI travaille à la conception d’une algue qui absorbe uniquement la quantité de lumière qu’elle est capable d’utiliser efficacement.

La recherche et le développement de biocarburants à base d’algues sont une œuvre de longue haleine. Nous avons accumulé beaucoup de connaissances depuis le début de la collaboration entre ExxonMobil et SGI et nous continuons à créer les outils biologiques, les capacités, et les conceptions nécessaires pour surmonter les obstacles techniques.

Le défi : produire à grande échelle

Selon Vijay Swarup, vice-président d’ExxonMobil Research and Engineering Company, « nous savons que certains types d’algues produisent des biocarburants. La difficulté est de trouver et de mettre au point des algues capables de produire des biocarburants à une échelle suffisante, et avec un rapport coût/efficacité suffisant ».

Il faudrait une quantité significative d’algues pour produire du carburant en quantité suffisante pour satisfaire même une petite partie de la demande de transport des États-Unis. La population et les économies mondiales vont continuer leur expansion, et avec elles la demande en énergie et les émissions de CO2. Au sein du groupe ExxonMobil, nous sommes conscients du fait qu’un ensemble intégré de solutions sera nécessaire pour augmenter l’efficacité, renforcer la capacité d’approvisionnement et réduire les émissions. Des découvertes technologiques seront cruciales en la matière, et les biocarburants dérivés des algues pourraient contribuer à cet ensemble de solutions.

L’objectif ultime est de traiter les biocarburants obtenus à partir des algues dans nos raffineries et de les ajouter à nos approvisionnements en essence classique, carburant diesel, carburants aviation et combustibles marine.

Quelle est la prochaine étape ?

Le groupe ExxonMobil continue à financer et conduire des recherches dans le cadre de ses nombreux investissements dans de nouvelles technologies qui, dotées d’un potentiel transformateur, pourraient augmenter l'approvisionnement d’énergie, réduire les émissions et rendre nos opérations plus efficientes.

ExxonMobil participe à de nombreuses recherches sur les biocarburants de dernière génération grâce à des partenariats conclus avec des universités, des laboratoires publics et d’autres entreprises. La demande mondiale en énergie pour le transport devrait augmenter d’environ 25 % d’ici 2040, et l’accélération de la baisse des émissions dans le secteur des transports jouera un rôle essentiel dans la réduction des émissions de gaz à effet de serre dans le monde. 

ExxonMobil mène également des recherches actives sur d’autres technologies de réduction des émissions, notamment le captage et le stockage du carbone. En 2016, ExxonMobil a annoncé son partenariat avec l’entreprise FuelCell Energy, Inc., du Connecticut, afin de développer l’utilisation des piles à combustible permettant de capturer de manière économique les émissions de carbone des centrales électriques tout en générant de l’hydrogène pour produire davantage d’électricité. Depuis 2000, ExxonMobil a dépensé environ 8 milliards de dollars pour développer et déployer des solutions énergétiques à faibles émissions dans ses activités.

La poursuite de tels objectifs implique des investissements considérables en termes de temps, d’argent et d’expertise scientifique pour faire face aux difficultés significatives qui sont associées au développement de biocarburants rentables sur une large échelle. Qui plus est, il est difficile de prédire le succès de ces efforts ; il dépend directement du rythme de l’innovation technologique. Il faudra peut-être plusieurs décennies pour que les biocarburants avancés atteignent un stade de développement suffisant pour apporter leurs bénéfices au secteur des carburants de transport.

Nous allons continuer à orienter nos recherches sur la biologie des algues vers les meilleures options, dans le cadre de notre activités de recherche et de développement portant sur d’autres biocarburants.

  • Les recherches effectuées par le groupe ExxonMobil dans le secteur des performances de la photosynthèse nous apportent des perspectives fondamentales nécessaires pour augmenter la productivité de la biomasse.

  • SGI exploite les techniques de la biologie synthétique et les ressources de sciences fondamentales différentes pour mettre au point des souches d’algues hautement productives.

La recherche portant sur l’éthanol cellulosique avec le groupe REG

ExxonMobil a signé un accord avec le groupe « Renewable Energy Group (REG) » pour l’étude de la production de biodiésel par la fermentation des sucres cellulosiques renouvelables, provenant de sources de type déchets agricoles. REG a mis au point une technologie utilisant des microbes pour convertir les sucres en biodiésel au cours d’un processus de fermentation en une étape, similaire à la fabrication de l’éthanol. La recherche du partenariat entre ExxonMobil et REG Life Sciences research va se concentrer sur l’utilisation de sucres provenant de sources non alimentaires.

REG possède une longue expérience sur la production de biocarburants avancés à partir de déchets de matières premières à faible contenu en carbone. Tout au long de ces recherches, les deux entreprises relèveront le défi posé par la fermentation de sucres cellulosiques renouvelables dans des conditions réelles. Ces produits contiennent plusieurs types de sucres, notamment le glucose et le xylose, mais aussi des impuretés capables d’empêcher la fermentation.

Notre premier défi est de déterminer la faisabilité technique et les avantages environnementaux éventuels au cours de la recherche initiale. En cas de résultats positifs, nous pourrons alors passer à la deuxième étape et explorer le potentiel d’expansion, ainsi que les possibilités d'application à une plus grande échelle.

Partenariats avec les universités

Colorado School of Mines/Biocarburants à base d’algues

Le groupe ExxonMobil et la Colorado School of Mines ont entrepris conjointement un projet de recherche dirigé par Matthew Posewitz, professeur agrégé de chimie minière et de géochimie, qui a travaillé dans le domaine des algues pendant 13 ans. Ces recherches porteront principalement sur l’acquisition de nouvelles connaissances sur les processus de photosynthèse et la fixation du carbone par algues. Ces nouvelles connaissances devraient permettre une meilleure compréhension des difficultés techniques et scientifiques de la production des biocarburants à partir des algues.

Michigan State University/Biocarburants à base d’algues

Le groupe ExxonMobil a entrepris une recherche en collaboration avec Michigan State University portant sur les biocarburants à base d’algues, orientée sur l’avancement de la science fondamentale de la photosynthèse des algues. Le professeur David Kramer de Michigan State University (titulaire de la distinction John Hannah), professeur de photosynthèse et bioénergétique, dirige les travaux. L’objectif fondamental de ce partenariat est d’améliorer l’efficacité de la photosynthèse des algues afin d’augmenter la production des biocarburants.

University of Wisconsin/Valorisation de la biomasse

ExxonMobil a instauré un programme conjoint de recherche sur les processus de valorisation de la biomasse avec l’University of Wisconsin. Le programme est dirigé par le professeur George Huber, chercheur chevronné et innovateur de la conversion de biomasse. Le programme est centré sur la conversion des produits de décomposition initiaux de la biomasse en produits plus intéressants. Par exemple, les sucres ou les composés à base de sucre peuvent être produits à partir de la biomasse au cours des processus de décomposition primaire tels que la pyrolyse rapide ou le traitement aux acides ou aux enzymes. Ce programme instauré avec l’University of Wisconsin explore l’utilisation de réactions catalytiques pour la transformation de ces sucres en hydrocarbures tels que l’essence et le diesel.