Contre l’effondrement (2/8) : la voie de la photosynthèse

Par le 26/01/16 | 7 commentaires | 2,077 lectures | Impression

Depuis des milliards d’années, les plantes produisent de l’énergie nécessaire à leur développement, à l’aide de la photosynthèse, un processus qui consiste à absorber l’énergie solaire pour la transformer en sucre. Rien n’empêche d’utiliser ce sucre pour obtenir, après traitement, une ressource utilisable par les humains pour leur industrie, c’est qu’on appelle un biocarburant. Avantage, cette opération n’augmente pas le taux de CO² dans l’atmosphère, puisque le gaz carbonique libéré n’excède pas en quantité celui précédemment absorbé par la plante.

Cela semble idéal. Hélas, ce n’est plus un mystère : les biocarburants ne sont pas la solution. Leur exploitation nécessite de recycler des terrains agricoles et exige de recycler des plantes, comme le maïs, qui pourraient être consacrées à la production de nourriture.

Un avenir pour les biocarburants

Cela dit, les biocarburants d’aujourd’hui ne seront peut-être pas ceux de demain. Dans son livre, The Infinite Ressource (mentionné dans notre précédent article), Ramez Naam, les voit évoluer au fil de trois générations.

La première, c’est l’actuelle production d’éthanol à partir de maïs notamment. La seconde, elle, implique une procédure plus subtile. Elle consiste essentiellement à casser la cellulose, qui se trouve, non pas dans les seules graines – comme c’est le cas avec le bioéthanol de maïs -, mais dans toute la plante. L’idée est d’augmenter notre production de biocarburants sans exiger toujours plus de terres. Par exemple, selon Naam, les termites (ou, plus exactement, les microbes qui se trouvent dans leurs entrailles) détiendraient une solution. En effet, le corps de ces charmants insectes contient des bactéries capables d’effectuer le processus recherché. Ainsi, raconte-t-il, en utilisant ces bactéries, la société américaine ZeaChem a produit en 2011 plus de 7 500 litres d’éthanol par an et par acre de peupliers (un acre correspond à environ 4 046 m²), soit sept fois plus que ce qu’on obtient classiquement avec du maïs.

Mais la troisième génération de biocarburants pourrait être encore plus efficace : elle ne suppose plus d’exploiter des terres cultivables, mais la surface des étangs et les algues qui la peuplent.

Les algues ont plusieurs avantages. Tout d’abord, ces organismes sont capables de stocker une grande quantité d’énergie, sous la forme “d’huile d’algue”, qui doit ensuite être raffinée pour donner du carburant. Ensuite, bien évidemment, leur culture n’implique pas d’utilisation de terres fertiles, mais nécessite seulement d’exploiter à peu près n’importe quel milieu aqueux, y compris l’eau sale ou non potable. Et, argumente Naam, alors que l’éthanol de première génération fournit juste un peu plus d’énergie que sa production n’en consomme, les algues pourraient, quant à elles, nous donner cinq fois plus d’énergie que leur élevage en réclame.

Ces organismes aquatiques suscitent un intérêt croissant. Ainsi, en 2011, la compagnie aérienne United Airlines a effectué un premier vol utilisant exclusivement un carburant à base d’algues.

Toutefois, explique Naam, le carburant à base d’algues est aujourd’hui trop cher (9 $ le “gallon”, c’est à dire un peu moins de 4 litres) : ce qui limite sa production industrielle. Les prix pourraient pourtant descendre jusqu’à un 1 $ le dollar le gallon, selon certains, comme Barbara McQuiston, qui a prophétisé une telle baisse des coûts lorsqu’elle travaillait à la DARPA en 2010.

330px-Blue-green_algae_cultured_in_specific_media Pourquoi cette production est-elle encore si élevée ? Parce que, explique Naam, les algues doivent être périodiquement récoltées. Il faut très fréquemment enlever la plupart des plantes des réservoirs, puis les traiter et opérer le raffinement. Les algues restantes dans le réservoir doivent à nouveau se développer dans l’attente de la prochaine récolte.

Mais George Church et Ed Regis mentionnent d’autres problèmes dans leur livre Regenesis. Ainsi, le raffinement du produit de base nécessite de l’énergie, laquelle vient dans bien des cas de centrales traditionnelles, qui peuvent rejeter du CO² dans l’atmosphère. Ensuite, les algues ont besoin de nutriments, surtout de l’azote et du phosphore, lesquels sont souvent produits à partir de pétrole. “Le microbe utilise, lors de sa croissance, certaines des substances mêmes qu’il était censé remplacer“, expliquent-ils. Enfin, les algues bloquent la lumière du soleil. Ce qui veut dire qu’elles se développent surtout en surface, quelle que soit la profondeur de la mare qu’elles colonisent. Ce qui implique qu’il faille une grande quantité d’eau pour produire assez peu de plantes. Au final, toujours selon Church et Regis, il faudrait, pour fournir la quantité nécessaire au transport aérien des Etats-Unis, disposer d’une surface aqueuse équivalente à l’état du Maryland.

La biologie synthétique est-elle une solution ?

La solution pourrait alors se trouver du côté de la manipulation génétique et de la “synbio”. Church, multi-entrepreneur de la biologie synthétique, ne pouvait résister à la tentation. Il s’est impliqué dans Joule Unlimited, dont la technologie repose aussi sur des algues, ou plutôt sur des organismes microscopiques qui ont longtemps été assimilés aux algues, ceux qu’on nomme les “algues bleu-vert” ou cyanobactéries. Cette entreprise utilise des bactéries dont le génome a été modifié, ce qui permet tout d’abord de fabriquer un biocarburant déjà utilisable. Ensuite, ces cyanobactéries se nourrissent directement par photosynthèse au sein de n’importe quelle qualité d’eau, y compris saumâtre, pas besoin de nutriments supplémentaires. Selon Church et Regis, toute la consommation des Etats-Unis pourrait être comblée par cette technologie en utilisant un territoire de la taille du “Texas Panhandle“, une région rectangulaire située au nord de cet Etat et qui occupe 10% de sa surface (ce qui est tout de même assez vaste). 

Une autre société, cofondée par Church, LS9, se penche sur les capacités de production de la bactérie E.Coli. En insérant les gènes d’un autre micro-organisme, la Zymomonas mobilis, connue pour produire de l’éthanol, LS9 a permis à l’E.Coli de générer à son tour une bonne quantité de biocarburant. Seul souci : les bactéries se nourrissent de sucre (donc de végétaux comestibles), mais l’équipe de LS9 espère continuer ses expériences de manipulations pour amener l’E Coli à se nourrir d’hémicellulose, produite à partir des éléments non comestibles des plantes.

Le problème est que toutes ces pistes n’existent pour l’instant qu’à l’état expérimental, et qu’aucune de ces deux compagnies n’est pour l’instant passée à une production de masse…

Vers une photosynthèse “artificielle”

regensis_En dehors de la stricte production de biocarburants, d’autres équipes s’intéressent de près aux potentialités de la photosynthèse. Ainsi la Technology Review nous présente les travaux du chimiste Peidong Yang, de l’université de Berkeley, qui cherche à produire lui aussi des carburants d’un nouveau genre en imitant le processus de photosynthèse, mais la voie choisie est complètement différente.

La photosynthèse fonctionne en deux phases. Tout d’abord, elle utilise l’énergie solaire pour effectuer une hydrolyse, c’est-à-dire séparer l’hydrogène de l’oxygène. Depuis les années 70, on sait qu’il est possible de créer un générateur d’énergie solaire pour effectuer cette hydrolyse. Vient ensuite la seconde étape. La plante utilise l’hydrogène ainsi libéré pour générer des hydrates de carbone, ceux-là mêmes qui peuvent être exploités comme biocarburants par la suite.

Pour effectuer la première partie, Peidong Yang emploie, au lieu des traditionnelles électrodes plates, un système de nanofils qui occupe le même espace que les électrodes traditionnelles, mais se révèlent bien plus efficaces. Reste la seconde étape, la plus importante. Pour cela, Peidong Yang a recouru à des bactéries manipulées génétiquement, qu’il a placées au sein des nanofils, et qui sont capables de s’emparer de l’hydrogène pour fabriquer du méthane ou d’autres hydrates de carbone.

Le mécanisme de la photosynthèse fait l’objet de recherches de plus en plus pointues. L’une des caractéristiques de cette opération est que les plantes utilisent des propriétés issues de la physique quantique pour augmenter leur efficacité dans la production d’énergie. On est encore loin de pouvoir exploiter cette étrange fonctionnalité, mais des scientifiques travaillent dessus, notamment l’un des plus célèbres chercheurs en informatique quantique, Seth Lloyd, auteur d’un fameux livre sur cette nouvelle discipline, Programming the Universe. Lloyd s’est associé à Angela Belcher, spécialiste, au MIT, de la manipulation génétique des virus à des fins de production énergétique, ainsi qu’avec d’autres chercheurs du MIT et de scientifiques italiens, expliquent Science Daily et le site d’information français Futura-Sciences, qu’on pourra consulter pour une description exacte du processus. Pour résumer, lors de la photosynthèse, l’énergie solaire est captée par des récepteurs nommés les chromophores, puis l’énergie passe de chromophore en chromophore pour rejoindre le point où elle est employée pour produire des molécules. Pour cela, elle est en mesure d’utiliser une fonction particulière à la physique quantique : elle peut se comporter comme une onde et non comme une particule : cela lui permet de tester plusieurs chemins différents et de “choisir le meilleur”. Lloyd et Belcher ont donc manipulé le génome du virus pour essayer d’y placer différentes configurations de chromophores afin d’améliorer cet effet quantique. Toutefois, précise encore Futura-Sciences : “Ces résultats sont encourageants, mais il ne s’agit là que d’une étape en direction des cellules photovoltaïques du futur. Pour le moment, les virus ne sont capables que de collecter et de transporter de l’énergie. Il est encore impossible de s’en servir pour produire de l’électricité“.

Il ne s’agit que de quelques exemples parmi une multitude de travaux et de recherches. On ignore aujourd’hui lesquels d’entre eux se révéleront profitables et seront susceptibles d’une application industrielle à grande échelle. En tout cas, une chose paraît acquise : les voies empruntées sont multiples, prometteuses, et semblent pointer vers la probabilité d’un succès dans un relatif court terme. On peut donc soupçonner que le peak oil ne devrait pas se révéler trop handicapant, et qu’en outre ces nouveaux carburants devraient sérieusement réduire la production de gaz à effet de serre. Reste la question de l’espace nécessaire pour développer ces nouvelles formes d’énergie. Même si l’emploi d’algues ou de bactéries ne devrait pas trop réduire la proportion de sols réservés à la culture des plantes comestibles, cela risque d’exiger quand même un vaste territoire.

Rémi Sussan

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4 commentaires

  1. par Fab

    Merci pour cet article intéressant. Belle synthèse :-)

    “Reste la question de l’espace nécessaire pour développer ces nouvelles formes d’énergie. Même si l’emploi d’algues ou de bactéries ne devrait pas trop réduire la proportion de sols réservés à la culture des plantes comestibles, cela risque d’exiger quand même un vaste territoire. ”

    -> Ce n’est pas le seul problème. Il faut aussi prendre en compte la quantité nette d’énergie produite et là j’ai l’impression qu’on est loin du compte, non ?

    On parle d’une énergie produite devant être 11 à 13 fois supérieure à celle nécessaire à sa production pour que notre société reste viable.

    Et malheureusement les efforts d’effacité pouvant limiter ce besoin sont souvent suivis d’effets rebond, cf : https://fr.wikipedia.org/wiki/Postulat_de_Khazzoom-Brookes

    Je parts ici du principe que l’ensemble de l’humanité va tendre vers notre mode de vie consumériste si elle en a les moyens, ce qui semble le cas.

  2. par Paul

    Une voie des biocarburants de 2éme génération est l’exploitation des dérivés forestiers. Dans une plantation forestiéreentretenue, seulement 40% de bois est utilisable. le reste est souvent brulé.
    Ce reste broyé peut être fermenté dans un digesteur en méthane et injecté dans le réseau (voir injectionbiométhane de ERDF) soit produite de l’isobuténe qui est polymérisé en essence ou kéroséne (voir global bioénergie). Sans parler des friches, des régions montagneuses non exploitées.
    Des pays comme la Hongrie, cultive des plantes genre chiendent pour les bruler dans leurs anciennes centrales à charbon.

  3. par Paul

    La dégradation de la cellulose en sucres soit par les enzymes des termites soit par des champignons ou bactéries est connue depuis longtemps.
    Dans la fermentation méthanique des végétaux, par exemple, une premiere phase est cette dégradation.

  4. par Lomig

    Oui cet article est intéressant. En accord total avec @Fab : l’énergie nette est un concept indispensable, dont l’absence fait discourir de manière inepte sur les agro-carburants de première génération, lesquels ont une énergie nette négative, notamment parce que l’on déforeste pour les produire, ou qu’on les arrose d’engrais.

    Ensuite, la question énergétique est en effet un aspect crucial de notre situation, mais l’effondrement peut arriver de plusieurs endroits. Continuer à disposer d’autant d’énergie, fût-elle verte et renouvelable, permet de continuer l’extractivisme des autres matières premières, la croissance et l’extension des populations au détriment des écosystèmes et l’amplification de l’extinction des espèces vivantes (je crois assez peu à une autorégulation globale). Cela ne fait donc que repousser le problème ailleurs…