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Biocarburants: éthanol produit à partir de biomasse cellulosique, ni durable ni respectueux de l'environnement

Biocarburants: éthanol produit à partir de biomasse cellulosique, ni durable ni respectueux de l'environnement


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Par Mae-Wan Ho

L'éthanol cellulosique peut être produit à partir d'une grande variété de résidus agricoles (maïs, céréales, canne à sucre, etc.), de résidus végétaux issus de procédés industriels (pâte à papier, sciure de bois) et de cultures énergétiques telles que le panic raide ».

Cellulose éthanol le "Green Gold"

La principale limitation de l'obtention d'éthanol à partir de matériel végétal est que la plupart des sucres, à l'exception de l'amidon de l'épi, ne sont pas viables pour la fermentation avec des bactéries ou d'autres microbes. Les sucres sont enfermés dans la cellulose, la matière fibreuse qui représente 75 ou 85% de la plante, le reste est de la lignine, la matière du bois.

Cependant, un cocktail d'enzymes appelées cellulases peut décomposer la cellulose en ses unités de sucre, qui peuvent être fermentées par des microbes, convertissant les sucres en éthanol (voir encadré). Cela signifie que l'herbe, la paille et d'autres résidus des cultures agricoles peuvent être transformés en éthanol. Cela a été appelé «l'or vert» qui pourrait remplacer «l'or noir» brut importé et qui est considéré comme un potentiel pour réduire durablement la consommation de combustibles fossiles.


"C'est au moins aussi faisable que d'utiliser l'hydrogène comme source d'énergie pour le secteur des transports durables", ont déclaré le Conseil de défense des ressources nationales (NRDC) et l'Union of Concerned Scientists (UCC).).

Shell Oil a prédit que le marché mondial des biocarburants tels que «l'éthanol cellulosique» atteindrait plus de 10 billions de dollars d'ici 2012.

Une étude financée par la Fondation pour l'énergie et la Commission nationale des politiques énergétiques a conclu que «les biocarburants, associés à des véhicules plus efficaces et à une croissance intelligente, pourraient réduire de deux tiers la dépendance du secteur des transports au pétrole d'ici 2050 de manière durable». La «croissance intelligente» est un terme de planification qui signifie une croissance qui maximise le développement durable des villes en ce qui concerne les transports et d'autres moyens de réduire la consommation d'énergie.

L'éthanol cellulosique peut être produit à partir d'une grande variété de résidus agricoles (maïs, céréales, canne à sucre, etc.), de résidus végétaux issus de procédés industriels (pâte à papier, sciure de bois) et de cultures énergétiques telles que le panic raide ».

Le professeur d'ingénierie de Dartmouth, Lee Lynd, travaille avec la papeterie de Gorham pour convertir la pâte à papier en éthanol. Selon Lynd, "c'est vraiment un produit à coût négatif et le fait qu'il soit prétraité élimine une étape du processus".

La société Masada Oxynol envisage de construire une usine à Middletown, New York, pour traiter les déchets municipaux et les convertir en éthanol. Après récupération des matières recyclables, une hydrolyse acide sera utilisée pour convertir le matériel végétal en sucres. «L'usine aura des avantages à la fois économiques et environnementaux», a déclaré David Webster, vice-président de Masada. Le processus réduit ou élimine le besoin de charges. Les déchets du processus comprennent la lignine et les cendres. La lignine sera récupérée par combustion pour rendre la plante autosuffisante en énergie et les cendres pourront être utilisées comme engrais.

Réduire le coût de production

Les cellulases nécessaires jusqu'à présent à la dégradation de la cellulose sont obtenues à partir de champignons, en particulier de Trichoderma reesei. Les scientifiques du NREL ont étudié d'autres sources telles que les bactéries Acdiothermus cellulolyticus, trouvé dans les sources chaudes du parc national de Yellowstone. Mais les bactéries exogluconase ne sont normalement pas aussi bonnes que les champignons, bien qu'elles tolèrent des températures élevées. L'étape suivante consiste à combiner la tolérance aux températures élevées avec l'efficacité de l'enzyme fongique. NREL et DOE ont conclu des contrats avec les plus grandes sociétés d'enzymes, Genecor International et Novozymes pour réduire les coûts de production de la cellulase à une moyenne de 0,10-0,20 $ par gallon d'éthanol et ils ont réussi (1).

Une autre amélioration concerne l'action simultanée de l'enzyme et des microbes en fermentation, de sorte que tandis que les sucres sont produits par les cellulases, les microbes fermentent le glucose, le convertissant en éthanol (3). La Logen Corporation à Ottawa, Canada (4) a été la première à développer le procédé d'obtention d'éthanol à partir de cellulose. Elle a construit la première et la seule usine de démonstration à convertir la biomasse cellulosique en éthanol. L'usine transforme 40 tonnes de paille de blé par jour, Logen est devenue la première entreprise à commercialiser de l'éthanol à partir de matières végétales en avril 2004. Le principal consommateur à ce jour est le gouvernement canadien, qui, avec le gouvernement américain (en particulier la NREL du DOE) a investi millions de dollars pour aider à commercialiser l'éthanol cellulosique.

Comment les cellulases transforment la cellulose en réserves pour la production d'éthanol

L'unité cristalline de cellulose est composée de centaines de bandes, chaque bande contient des centaines d'unités de glucose attachées. La cellulose est enveloppée dans une gaine d'hémicellulose et de lignine, qui protège la cellulose de la décomposition. L'hémicellulose est plus facile à décomposer que la cellulose elle-même (2). Une combinaison de chaleur douce, de pression et d'acide décompose l'hémicellulose en ses composants de sucre mélangés, principalement le silose.

Des scientifiques du Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) du Département de l'énergie (DOE) ont utilisé de l'acide sulfurique pour décomposer la gaine d'hémicellulose-lignine en réagissant avec l'eau, exposant la cellulose.

Pour hydrolyser chimiquement la cellulose, des températures et pressions élevées et des acides forts sont nécessaires, ce qui implique un équipement assez coûteux; c'est pourquoi les enzymes cellulases ont été recherchées pour faire le travail.
Contrairement aux humains qui ne peuvent pas digérer la cellulose, les vaches, les termites et les champignons le peuvent. Certaines bactéries, champignons et insectes produisent des cellulases, d'autres animaux utilisent des bactéries productrices de cellulase dans leur système digestif.

La plupart des cellulases sont constituées de trois complexes enzymatiques qui travaillent ensemble pour hydrolyser la cellulose. D'abord, l'endolucanase décompose l'une des chaînes de la structure cristalline de la cellulose, puis l'exoglucanase attire l'une des extrémités libres et étire la chaîne de cellulose détruisant la structure, coupant les unités de cellulose en deux unités de glucose. Enfin, la bêta-glucosidase divise les deux unités en deux molécules de glucose, qui peuvent être fermentées dans l'éthanol.

L'éthanol cellulosique est-il durable?

Une étude préliminaire du cycle de vie de l'éthanol cellulosique a montré que les émissions de gaz à effet de serre sont réduites de 89% grâce à l'utilisation du pétrole. En revanche, l'éthanol fermenté à partir de sucre réduit les gaz à effet de serre de 13% en moyenne. (5).

La production d'énergie apparaît comme la meilleure de toutes, avec un ratio investissement / profit de 1,98, ce qui signifie que chaque unité d'énergie investie produit près de 2 unités de profit énergétique à partir de la production d'éthanol cellulosique; mais c'est peut-être une exagération en raison de défauts dans les processus comptables.

L'agriculture américaine peut-elle soutenir un système de production d'éthanol cellulosique à grande échelle? Y a-t-il assez de terrain? Peut-on produire suffisamment de biomasse sans impact sur le coût des terres agricoles, en concurrence avec la production alimentaire et sans nuire à l'environnement?

La réponse à cette question varie d'un non à un oui définitif, en fonction des efforts de recherche, des technologies innovantes et des politiques gouvernementales (1).

Une proposition estime que pour produire 50 milliards de gallons d'éthanol par an à partir de la biomasse cellulosique, le flux de déchets ne fournirait que 40 ou 50% de la matière première, le reste devrait provenir de cultures énergétiques telles que le maïs et changer l'herbe, ce qui aurait de grands impacts sur le système agricole.

Des niveaux plus élevés auraient des impacts sur le coût des terres agricoles et sur la concurrence avec la production alimentaire.

Les États-Unis ont fixé l'objectif de consommation d'essence pour les voitures et les camions d'ici 2050 à 290 billions de gallons.

Augmentation de l'efficacité du véhicule à 50 mpg. ou plus et en incluant des politiques de croissance intelligentes, la consommation pourrait être réduite à 108 billions de gallons d'ici 2050.

Un rapport de NRDC , Énergie croissante (6) dit que le nombre de gallons d'éthanol actuellement produits pour chaque tonne sèche de biomasse aux États-Unis est de 50 gallons, soit 208,93 litres (une mauvaise comparaison par rapport à 371,75 litres par tonne de maïs (7).

Si les prédictions faites pour changer l'herbe de 12,4 tonnes sèches par acre (27,77 tonnes par hectare) - soit plus du double de la moyenne actuelle de 5 tonnes sèches par acre - on estime donc que 114 ha sont consacrés à la culture de changer l'herbe ils pourraient fournir suffisamment de biomasse pour produire 165 milliards de gallons d'éthanol (l'équivalent de 108 milliards de gallons d'essence).

Cela consommerait 26,4% de la production totale des États-Unis, soit 12,2% du total des terres agricoles, et aurait sûrement un impact sur la production alimentaire.

Une idée pour produire des biocarburants de manière économique et efficace est de développer des bioraffineries, analogues aux raffineries de pétrole, où le brut est converti en carburants et en produits secondaires tels que les engrais et les plastiques. Dans le cas des bioraffineries, la biomasse de l'usine produirait une variété de produits tels que les aliments pour animaux, les carburants, les produits chimiques, les polymères, les lubrifiants, les colles, les engrais et l'énergie.

John Sheehan de NREL a utilisé une perceuse logicielle pour voir la disposition de la bio-raffinerie. Sheehan pense que la question de l'échelle est une question importante. Il a découvert que les bioraffineries auraient besoin de traiter 5 000 à 10 000 tonnes de biomasse par jour pour être économiquement viables. En dessous de 2 000 par jour, le coût du capital est élevé.

Une étude du DOE et de l'USDA publiée en avril 2005 conclut que les forêts et les terres agricoles ont le potentiel de multiplier par 7 la biomasse par rapport à ce qui est actuellement utilisé pour l'énergie et les produits issus de la biomasse - plus de 1,3 milliard de tonnes sèches - ce qui est suffisant pour satisfont plus d'un tiers de la demande actuelle pour l'utilisation de carburants de transport.

Plus de 25% proviendraient de l'utilisation extensive de la gestion forestière et 75% de la gestion intensive des terres agricoles. La plupart des ressources primaires seraient les résidus de l'exploitation forestière et du traitement des combustibles (pour réduire les risques d'incendie) des forêts et les résidus de produits agricoles des terres agricoles.


Ces chiffres sont basés, entre autres, sur des projections (optimistes) d'augmentation de la production végétale, en particulier de 50 pour cent dans les plus gros produits pour la bioénergie, plantés sur des terres inutilisées, y compris 8 millions d'acres précédemment utilisées pour la culture.

Il est clair qu'à moins que la consommation ne soit réduite par rapport aux niveaux actuels, les biocarburants issus des cultures énergétiques ne pourront pas remplacer les carburants fossiles sans affecter la production alimentaire.

Développements futurs

Une autre difficulté est que 27% de la biomasse de la plante est composée de sucres autres que le glucose, comme l'hémicellulose (par exemple le xylose). Ces sucres ne sont pas fermentés par les micro-organismes habituels.

La cellulose constitue 40 à 50% du poids sec et l'hémicellulose 20 à 35%.

Lonnie Ingram, professeur de microbiologie à l'Université de Floride à l'Institute of Food and Agriculture, a fait la une des journaux (9) parce que son équipe de recherche a génétiquement créé un type de bactérie E. coli pour produire de l'éthanol à partir du xylose (10). Il a été commercialisé avec l'aide du DOE des États-Unis La société BC International Corp., située à Dedham, Massachusetts, détient les droits exclusifs d'utilisation et de licence de cette bactérie génétiquement modifiée.

Cette bactérie transgénique de Escherichia coli Il a été créé en transférant les gènes nécessaires à la fermentation des sucres - pyruvate de décarboxylase et alcool déshydrogéné - de la bactérie Zymomanas mobiliset le xylose fermenté produit de l'éthanol à 95% du niveau théorique (11).

Greg Luli, vice-président de l'équipe de recherche de BC International, a déclaré que la société prévoyait de construire une usine pour convertir 30 millions de gallons de biomasse en éthanol à Jennings, en Louisiane, qui devrait être opérationnelle d'ici la fin de 2006. Déchets de la canne à sucre L'industrie en Louisiane sera la principale matière première de l'usine.

Des initiatives parallèles sont en cours en Europe. La société suisse Etek Etholtekhnik AB a annoncé qu'elle ouvrirait une usine pilote pour produire 400 à 500 litres d'éthanol par jour à partir de 2 tonnes de biomasse sèche (12). L'usine est conçue pour effectuer deux étapes, une hydrolyse acide diluée et une combinaison avec des enzymes.

Bien que la matière première soit du bois léger, d'autres types de biomasse tels que les feuillus et les cultures annuelles telles que la paille seront également testés.

L'usine pilote sera située à Ornskildsvik, dans le nord de la Suisse, à proximité d'une usine d'éthanol sulfate de pâte. Trois universités de la région - Umea University, Mid Sweden University et Lulea Technical University - ont leur propre usine.

Pas encore économiquement viable ou durable

L'un des problèmes de la technologie de fermentation du xylose avec des bactéries, comme le résume le groupe de professeurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) dans un document soumis au MIT Energy Committee (13), est que l'éthanol produit est assez dilué, 5-6% maximum, comparé à 12% d'amidon de maïs fermenté à la levure.

Les bactéries de Lonnie Ingram produisent une solution d'éthanol à 4,5% (14). La raison en est que certains composés s'accumulent pendant la fermentation du mélange de sucres dans la biomasse, inhibant la croissance bactérienne.

En d'autres termes, les bactéries produisent de la bière et non du vin; et l'eau supplémentaire nécessaire et l'énergie supplémentaire pour distiller l'éthanol rendraient le procédé économiquement non viable ou durable.

Les professeurs du MIT se demandent également si l'idée de faire une bioraffinerie pour d'autres produits issus de la fermentation est économiquement viable. Ils proposent d'utiliser la biotechnologie pour créer des micro-organismes capables de surmonter leur inhibition de croissance et ainsi d'améliorer la production d'éthanol à partir de la biomasse.

S'ils le font, ils devront s'assurer que les bactéries ne s'échappent pas dans l'environnement, et cela s'applique à toutes les autres bactéries générées pour produire de l'éthanol cellulosique.

Il y a quelques années, la pédologue Elaine Ingham et son élève Michael Holmes ont testé une bactérie génétiquement modifiée, Planeticola Klebsiella qui a produit de l'éthanol à partir de déchets de bois (15) et a constaté qu'il tuait tous les plants de blé quelles que soient les conditions (16).

Impacts environnementaux de la production d'éthanol

L'éthanol est-il vraiment plus propre et plus écologique que l'essence? Lors d'une session du Sénat américain sur le National Sustainable Fuels and Chemicals Act de 1999, le NRDC a présenté des preuves (17) que les produits générés par la combustion de l'éthanol comprennent le formaldéhyde et l'acétyle, tous deux cancérigènes; et que l'augmentation de l'utilisation de l'éthanol pourrait augmenter les niveaux environnementaux de peroxyacétinitrate (PAN).

L'acétaldéhyde est répertorié comme un polluant atmosphérique toxique en Californie sur la base des preuves de ses propriétés cancérigènes et PAN dit que ce produit chimique est "génotoxique (cause des dommages génétiques) et produit des problèmes respiratoires et irrite les yeux, il peut également causer des lésions pulmonaires."

Le NRDC a noté que l'augmentation de l'utilisation d'éthanol dans le carburant pourrait entraîner une exposition accrue à l'éthanol par inhalation, ce qui pourrait entraîner une variété de toxines associées à l'ingestion d'éthanol. Ils ont également mis en garde contre les émissions d'oxydes de nitrate et de composés organiques inflammables qui produisent de l'ozone.

Récemment, Cal Hodge de Second Opinion Inc. a rapporté que les niveaux d'ozone atmosphérique avaient augmenté en Californie depuis 2003, en raison du changement de 10% de la consommation d'éthanol à des composés d'essence il y a un an (19).

L'excès d'ozone sur la côte sud de la Californie est deux fois plus élevé qu'au cours des trois dernières années, tandis que la concentration maximale d'ozone est passée à 22%. Cette augmentation de l'ozone était corrélée à une augmentation des émissions d'oxyde d'azote et de composés organiques volatils, qui n'ont pas été enregistrées par l'Agence américaine de protection de l'environnement (EPA).

L'EPA a approuvé l'éthanol dans l'essence en utilisant le mauvais modèle pour ses tests, ce qui ne prend pas en compte le fait que l'éthanol a tendance à produire plus d'oxydes d'azote, qui fuit souvent des tubes scellés du système d'alimentation du véhicule et réduit l'efficacité, par conséquent, augmente émissions de gaz. Un appel est nécessaire pour que «la non-expansion de l'utilisation» de l'éthanol dans l'essence américaine soit autorisée.

Le biodiesel a des impacts environnementaux plus importants que le diesel

Les ressources primaires inorganiques sont augmentées pour produire des engrais de 100%

  • Les déchets non radioactifs, principalement le gypse, produit issu de la production d'engrais phosphatés, sont augmentés de 98%
  • Les déchets radioactifs sont augmentés de 90% par la fourniture d'électricité produite par les centrales nucléaires
  • Il augmente les oxydants photochimiques, en particulier l'hexane dans les solutions basées sur l'extraction d'huile, de près de 70%
  • La consommation d'eau a augmenté de 30%
  • L'acidification des oxydes d'azote et du sulfate et de l'ammonium expulsés lors de la croissance des cultures de colzo et également lors de la combustion du biodiesel est augmentée de 15%.

Remarques

1.- Cet article fait partie de la publication récente: "Quelle énergie?" Rapport énergétique 2006 de l'Institut des sciences dans la société, et dont les auteurs sont Mae-Wan Ho, Peter Bunyard, Peter Saunders, Elizabeth Bravo et Rhea Gala.
Pour voir le texte intégral sur l'énergie, toutes les notes, références et en savoir plus sur les biocarburants, vous pouvez télécharger le document complet (en anglais) sur le site Web: http://www.twnside.org.sg/title2/par/whichEnergy. pdf

2.- La version publiée en est extraite de celle publiée dans le bulletin Résistance du réseau Oilwatch

3.-Que sont les biocarburants?

Les biocarburants sont dérivés de cultures végétales et comprennent la biomasse directement brûlée, le biodiesel à partir de graines oléagineuses et l'éthanol (ou méthanol) qui est le produit de la fermentation de céréales, d'herbe, de paille ou de bois.

Les biocarburants ont acquis une renommée parmi les groupes environnementaux en tant qu'énergies renouvelables qui sont «sans carbone», de sorte qu'ils ne produiraient pas de gaz à effet de serre; simplement en les brûlant, le dioxyde de carbone que les plantes absorbaient lorsqu'elles poussaient dans le champ, retourne dans l'atmosphère.

Cependant, plusieurs aspects ne sont pas pris en compte dans cette analyse. Par exemple, les cultures de biocarburants occupent des terres précieuses qui pourraient être utilisées pour produire de la nourriture, en particulier dans les pays pauvres. Il existe des estimations réalistes montrant que la production d'énergie à partir des cultures nécessite plus d'énergie fossile que l'énergie qu'elles produisent, et qu'elles ne réduisent pas sensiblement les émissions de gaz à effet de serre, lorsque tous les facteurs sont inclus dans les calculs.

De plus, ils causent des dommages irréparables aux sols et à l'environnement.

Les biocarburants peuvent également être produits à partir de copeaux de bois, de résidus de récolte et d'autres déchets agricoles et industriels, qui ne sont pas en concurrence pour le sol, mais dont les impacts environnementaux sont encore importants.

Source: ISIS. 2006


Vidéo: Renewable Biofuels and Biochemicals: Cellulosic Ethanol (Juillet 2022).


Commentaires:

  1. Ubayy

    À mon avis, il a tort. Je suis sûr.

  2. Darach

    Je vais peut-être garder le silence

  3. Faelen

    Informations amusantes

  4. Zurr

    Beats



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