Les principaux obstacles techniques et économiques persistent lorsque l'on fabrique de l'éthanol à partir de déchets végétaux. Par ailleurs, la combustion de l'éthanol produit des substances qui sont cancérogènes et elle augmente les teneurs en ozone dans l'atmosphère, d'après le Dr. Mae-Wan Ho.
Le texte original en anglais et les références sont accessibles sur le web par : https://www.i-sis.org.uk/ECBNESEB.php
La limite principale pour obtenir de l' éthanol à partir de la matière végétale, est que la majeure partie du substrat à base de sucres ou glucides, - mis à part l'amidon dans les grains de maïs et autres graines-, n'est pas dégradable par fermentation avec le concours de bactéries et d'autres microorganismes. Ces sucres sont inclus dans une matière fibreuse, la cellulose , qui compose 75 à 85 pour cent des végétaux, le reste étant constitué par la lignine, une matière ligneuse.
Cependant, un ensemble d'enzymes, appelées cellulases, sont capables de décomposer la cellulose en unités de sucres élémentaires, qui peuvent alors être transformés en éthanol par fermentation avec l'aide de microorganismes (voir l'encadré). Cela signifie que des herbes, des pailles et d'autres résidus végétaux peuvent également être transformés en éthanol. C'est ce que l'on a appelé "l'or vert », qui pourrait remplacer le pétrole brut d'importation, dit "or noir"[1]. Cet "or vert"est généralement considéré comme ayant le potentiel de réduire sensiblement notre consommation de combustibles et de carburants fossiles.
"Il est au moins aussi porteur en matière de choix énergétique que l'hydrogène pour constituer un secteur des transports qui soit soutenable ,"ont déclaré conjointement le Conseil de défense des ressources nationales ( National Resources Defense Council ou NRDC ) et l'Union des scientifiques concernés, ( Union of Concerned Scientists ) dans un rapport commun. Le groupe Shell Oil a prévu que le marché mondial des biocarburants, tels que "l'éthanol cellulosique », devrait dépasser les 10 milliards de $ d'ici 2012.
Une étude financée par la Fondation pour l'énergie ( Energy Foundation) et la Commission nationale pour la politique énergétique ( National Commission on Energy Policy ), a conclu que "vers 2050, les biocarburants, couplés à l'efficacité des véhicules et à une ' croissance astucieuse ' , pourraient réduire des deux tiers, et d'une manière soutenable, la dépendance en pétrole de notre secteur des transports. "La 'croissance astucieuse' est un terme de prospective qui désigne une croissance qui maximise le développement soutenable ou durable des villes pour tout ce qui concerne le secteur des transports et d'autres formes d'économies d'énergie.
L'éthanol cellulosique peut être produit à partir d'une grande variété de matières premières comprenant les déchets végétaux et agricoles (rafles de maïs, pailles de céréale, bargasse de canne à sucre), les déchets des usines de transformation industrielle (sciure, pulpe de papier) aussi bien que des plantes énergétiques telles que la plante dénommée ' switchgrass ' .
Lee Lynd, Professeur d'ingénieurie à Dartmouth avait travaillé avec l'usine Gorham Paper Mill pour convertir les déchets de papier en éthanol. Lynd déclara, " c'est véritablement une matière première négative en termes de coût. Et encore, elle est déjà traitée préalablement, ce qui élimine une étape dans le processus de conversion. »
La société Masada Oxynol projette de construire une usine à Middletown, New York, pour transformer les déchets solides urbains en éthanol. Après la récupération des matières recyclables, l'hydrolyse acide sera employée pour convertir les matériaux cellulosiques en sucres. " L'installation fournira une valorisation économique et environnementale ,"a déclaré David Webster, vice-président exécutif de Masada . Le procédé réduit ou élimine les décharges. Les sous-produits du procédé sont le gypse , la lignine et les cendres. La lignine sera récupérée pour la combustion afin de rendre l'usine autosuffisante en énergie ; les cendres peuvent être répandues dans les sols comme engrais.La molécule élémentaire de cellulose se compose des milliers de brins, chaque brin est composé de centaines d'unités de glucose, reliées ensemble. La cellulose est enveloppée dans une gaine d'hémicellulose et de lignine, qui protège la cellulose contre la dégradation. L'hémicellulose est plus facilement décomposée que la cellulose [2]. Une combinaison de chaleur douce, de pression et des conditions acides (ou basiques) dégrade l'hémicellulose en un mélange composé de glucides, principalement du xylose .
Les scientifiques du Laboratoire national des énergies renouvelables ( National Renewable Energy Laboratory ou NREL ) du Ministère de l'Energie (Department of Energy ou DOE ) utilisaient de l'acide sulfurique dilué pour hydrolyser (décomposer par une réaction avec l'eau) la gaine d'hémicellulose et de lignine, exposant ainsi la cellulose.
L'hydrolyse chimique de la cellulose demande une température et une pression plus élevées, ainsi que des conditions plus acides, ce qui exige un équipement de traitement industriel plutôt onéreux ; c'est pourquoi ces scientifiques se sont tournés vers des enzymes, les cellulases , pour régler le problème.
Bien que les êtres humains ne puissent pas digérer la cellulose, le bétail, les termites, le castor et les champignons sont capables de la dégrader. Quelques bactéries, champignons et insectes produisent eux-mêmes des cellulases ; d'autres animaux servent d'hôtes à des bactéries qui produisent des cellulases dans leur tube digestif.
La plupart des cellulases sont des complexes de trois enzymes qui agissent ensemble pour hydrolyser la cellulose. Tout d'abord, une endoglucanase casse l'une des chaînes dans la structure moléculaire de la cellulose, puis, une exoglucanase s'attache à l'une des extrémités disponibles, pousse la chaîne de cellulose hors de la structure moléculaire et opère sur la longueur de la chaîne, en coupant les unités de cellobiose (deux unités de glucose reliées ensemble). Pour finir, une bêta-glucosidase coupe la cellobiose en deux molécules de glucose, qui peuvent alors être fermentées et transformées en éthanol.
Jusqu'ici, les cellulases qui sont nécessaires pour décomposer la cellulose, provenaient de champignons, en particulier de Trichoderma reesei . Les scientifiques de NREL ont étudié d'autres sources, comme la bactérie Acidothermus cellulolyticus qu'ils ont trouvé dans les eaux chaudes de parc national de Yellowstone, aux Etats Unis.
Mais, habituellement, les exoglucanases bactériennes ne sont pas aussi efficaces que celles des champignons, bien qu'elles tolèrent des températures élevées. Une prochaine étape sera de combiner la tolérance à de hautes températures avec l'efficacité de l'enzyme fongique. NREL et DOE ont signé un contrat avec les plus grandes sociétés mondiales productrices d'enzymes, Genecor International et Novozymes, pour réduire le coût de production des cellulases vers une plage de 0,10 à 0.20 $ par gallon d'éthanol ; l'opération a bien réussi [1].
Une autre amélioration comporte l'action simultanée d'enzymes et de microorganismes de fermentation, de sorte que pendant que les sucres sont produits par les cellulases, les microorganismes assurent la fermentation du glucose en éthanol [3].
La société Iogen Corporation basée à Ottawa, au Canada [4] fut la première à développer le procédé de digestion enzymatique pour obtenir l'éthanol à partir de la cellulose. Elle a bâti la plus première usine au monde, mais seulement en guise de démonstration, pour convertir la biomasse cellulosique en éthanol. L'usine traite 40 tonnes de paille de blé par jour, et Iogen est devenue la première compagnie pour de commercialisation d'éthanol cellulosique en avril 2004. Le premier consommateur a été le gouvernement canadien, et avec le gouvernement des Etats-Unis (en particulier le NREL du DOE ), ils ont investi des millions de dollars pour aider la commercialisation de l'éthanol cellulosique
Une analyse préliminaire du cycle de vie de l'éthanol cellulosique a montré que ce dernier réduit l'émission de gaz à effet de serre de 89 pour cent par rapport à un carburant pétrolier raffiné. En revanche, l'éthanol issu de la fermentation des sucres a réduit des émissions de gaz à effet de serre de 13 pour cent en moyenne [5]. Le rendement énergétique est apparu meilleur que n'importe quel autre, avec un rapport intrants/produit de 1,98, ce qui signifie que pour chaque unité d'énergie consommée, près de 2 unités d'énergie, issues de l'éthanol cellulosique, sont produites. Il faut cependant tenir compte des procédures comptables défectueuses. ( Biofuels for Oil Addicts , SiS 30). [ ¤ La version en français s'intitule ' Energie Des biocarburants pour les inconditionnels du pétrole Quand la solution alternative est pire que la dépendance ' ; elle sera prochainement accessible sur Internet].
Les systèmes agricoles des Etats Unis peuvent-ils soutenir la production d'éthanol cellulosique à grande échelle ? Y a-t-il suffisamment de terres disponibles ? La biomasse peut-elle être fournie sans affecter le coût des terres agricoles, sans concurrencer la production de nourritures et sans nuire à l'environnement ? Les réponses à ces questions vont d'un non catégorique à un oui massif, dépendant des efforts consentis en matière de R&D, de l'innovation technologique et de la politique gouvernementale [1].
Une évaluation indique que pour produire 50 milliards de gallons d'éthanol par an à partir de la biomasse cellulosique, le flux de déchets fournirait seulement de 40 à 50 pour cent de la matière première, le reste devant provenir de plantes énergétiques telles que le switchgrass , sans grands impacts sur le système agricole.
Mais au delà de ce niveau, il y aurait des implications pour le prix des terres agricoles et une concurrence avec les récoltes vivrières.
On estime que les Etats-Unis devraient consommer 290 milliards de gallons de carburants chaque année pour les voitures et les camions d'ici 2050. L'amélioration de l'efficacité des véhicules de 50 mpg [voir aussi à Efficacité énergétique ci-après], ou plus encore, et l'institution de politiques de croissance astucieuses, pourraient ramener la consommation à 108 milliards de gallons vers 2050.
Selon le rapport du NRDC , intitulé Growing Energy [6], le nombre de gallons d'éthanol actuellement produits par tonne de matière sèche de biomasse aux Etats Unis est de 50 gallons, soit 208,93 litres/tonne métrique (qui rivalise mal avec les 371,75 litres/tonne pour les grains de maïs [7]). Cela suppose une amélioration de 117 gallons par tonne de matière sèche (soit 488.89 l/tonne), l'équivalent de 77 gallons d'essence.
Si les améliorations prévues du rendement du switchgrass , de 12,4 tonnes sèches par acre (27,77tonne/ha) pouvaient être réalisées – ce qui est plus de deux fois la moyenne actuelle de 5 tonnes de matières sèches par acre - alors 114 millions d'acres environ consacrées au switchgrass pourraient fournir la biomasse suffisante pour produire 165 milliards de gallons d'éthanol d'ici 2050 (soit l'équivalent de 108 milliards de gallons de carburant). Ceci prendrait 26,4 pour cent des terres cultivables consacrés à des espèces cultivées et récoltées aux Etats Unis, ou encore à 12,2 pour cent des surfaces agricoles utiles totales ; la production alimentaire s'en trouverait très certainement affectée.
Une grande idée pour rendre des biocarburants économiques et efficaces consisterait à développer des bioraffineries, analogues aux raffineries de carburant, dans lesquelles le pétrole brut est converti en carburants et en co-produits tels que des engrais et des plastiques. Dans le cas d'une bioraffinerie, la matière première de la biomasse végétale fabriquera des produits divers tels que de l'alimentation pour les animaux, des carburants, des produits chimiques, des polymères, des lubrifiants, des adhésifs, des engrais et de l'énergie.
John Sheehan du NREL avait utilisé un logiciel de simulation pour étudier la conception d'une bioraffinerie. " La notion d'échelle constitue une question majeure ,"dit Sheehan. Il a découvert que les bioraffineries devraient traiter 5.000 à 10.000 tonnes de biomasse par jour pour être économiquement viables. " Au-dessous de 2.000 tonnes par jour, les frais financiers montent en flèche. »
Une étude du DOE des Etats Unis et de l' USDA , publiée en avril 2005 [8], a conclu que les espaces forestiers et les terres cultivables ont la capacité de fournir 7 fois plus de quantité de biomasse que celle qui est actuellement consommée par les bioénergies et les produits associés - plus de 1,3 milliard de tonnes de matières premières sèches – ce qui est suffisant pour satisfaire plus d'un tiers de la demande actuelle des carburants pour les transports. Plus de 25 pour cent viendraient des espaces forestiers gérés de manière extensive et environ 75 pour cent des surfaces cultivées et gérées de manière intensive.
Les ressources primaires principales proviendraient des déchets d'abattage des forêts et du traitement des carburants (pour réduire des risques d'incendie) et des résidus des plantes annuelles ou bisannuelles cultivées et d'espèces vivaces établies sur des terres agricoles.
Cette évaluation est basée, entre autres, sur des projections (optimistes) d'augmentations substantielles des rendements des cultures, particulièrement d'une montée des rendements de 50 pour cent chez la principale plante bioénergétique, le maïs, ainsi que 60 millions d'acres de plantes bioénergétiques vivaces (telles que le switchgrass), emblavées sur des terres cultivables inoccupées, notamment sur 8 millions d'acres qui avaient été précédemment mises en culture avec du soja.
A moins que la consommation de carburants soit réduite de manière substantielle par rapport au niveau actuel, il est évident que les biocarburants issus de plantes énergétiques ne pourront pas remplacer les carburants fossiles sans affecter la production des végétaux pour constituer des denrées alimentaires.
Une autre contrainte pour obtenir de l'éthanol à partir de la biomasse végétale, réside dans le fait que plusieurs des sucres contenus dans l'hémicellulose, tels que le xylose , ne sont pas fermentés en alcool par les microorganismes habituels. La cellulose compose 40 à 50 pour cent du poids sec de la biomasse et l'hémicellulose 20 à 35 pour cent.
Lonnie Ingram, Professeur de la microbiologie à l'Institut des sciences agronomiques et de l'alimentation, à l'Université de la Floride aux Etats-Unis, a fait les gros titres des journaux [9] parce que son équipe de recherche avait modifié génétiquement une souche de la bactérie E. coli pour produire de l'éthanol à partir du xylose [10]. Cela a été commercialisé avec l'aide du DOE des Etats Unis. La société, BC International Corp. , basée à Dedham, dans le Massachusetts, a accordé des droits exclusifs de licence et d'utilisation de la bactérie modifiée génétiquement.
La bactérie E. coli a été modifiée en y transférant les gènes requis pour fermenter des sucres - décarboxylase du pyruvate et déshydrogénase de l'alcool – provenant de la bactérie Zymomonas mobilis - et le xylose est fermenté avec un rendement en éthanol de 95 pour cent du rendement théorique [11].
Greg Luli, le vice-président de la recherche chez BC International Corp. , a annoncé que cette société a établi des plans pour construire une usine à Jennings, en Louisiane, qui sera capable de transformer 30 millions de gallons de biomasse en éthanol ; l'usine devait être opérationnelle vers la fin de l'année 2006 [9]. Les déchets de l'industrie de canne à sucre de Louisiane constitueront la matière première principale pour faire fonctionner cette usine.
Des développements similaires ont lieu en Europe. Une installation pilote a été annoncée par la société suédoise Etek Etholtekhnik AB pour produire 400-500 litres d'éthanol par jour à partir d'une entrée de matière première de 2 tonnes de biomasse sèche [12].
L'usine est conçue pour fonctionner avec un procédé en deux étapes : une hydrolyse par de l'acide dilué et une combinaison avec une hydrolyse enzymatique. La matière première est constituée de bois tendre, mais d'autres formes de biomasse comme le bois dur et les plantes annuelles, telles que la paille et l' alpiste , seront également expérimentées.
L'installation pilote va être située à Ornskildsvik, dans le Nord de la Suède, près d'une usine existante d'éthanol de pulpe sulfitée. Trois universités de la région – l'Université d'Umeå, l'Université de la Suède centrale et l'Université technique de Lulea – seront propriétaires de l'usine.
Concernant la technologie de fermentation du xylose avec l'aide de bactéries, un problème a été soulevé et résumé par un groupe de professeurs du Massachusetts Institute of Technology ( MIT ) aux Etats Unis, dans un livre blanc soumis au Conseil pour l'énergie de cet institut MIT [13].
Il s'agit d'un problème posé par le fait qu'une solution assez diluée d'éthanol est produite, au mieux 5-6 pour cent, en comparaison avec les 12 pour cent obtenus avec de la fécule de maïs fermentée avec des levures. La fermentation du xylose par la bactérie E. coli de Lonnie Ingram, produit une solution à 4,5 pour cent d'éthanol [14].
La raison en est que certains composés, qui s'accumulent pendant la fermentation des mélanges de glucides de la biomasse, empêchent la croissance microbienne. En d'autres termes, les bactéries produisent de la bière, pas du vin !
Par ailleurs, l'eau qui est exigée en supplément avec le procédé de fermentation, plus l'énergie supplémentaire qui est nécessaire pour distiller l'éthanol, rendront le procédé peu rentable économiquement et insoutenable pour l'environnement.
Les professeurs de MIT ont également mis en doute l'idée d'une bioraffinerie pour faire utiliser les sous-produits de la fermentation, d'une part, et que cela soit économiquement viable, d'autre part. Ils proposent d'utiliser les outils de la biotechnologie pour créer des microorganismes qui peuvent surmonter l'inhibition de croissance, afin d'améliorer le rendement et la productivité de la fabrication de l'éthanol à partir de la biomasse.
S'ils y parviennent, il sera alors indispensable de s'assurer que la bactérie modifiée génétiquement ne s'échappe pas et ne se disperse pas dans l'environnement. Ceci s'applique d'ailleurs à toutes les autres bactéries génétiquement modifiées qui fabriquent de l'éthanol à partir de la biomasse cellulosique.
Il y a quelques années, le chercheur Elaine Ingham, spécialiste des sciences du sol, et son étudiant diplômé Michael Holmes, ont expérimenté une bactérie K lebsiella planticola génétiquement modifiée pour produire de l'éthanol à partir de débris de bois : ils ont trouvé que cette bactérie pouvait tuer toutes les plantes de blé dans chacun des milieux dans lesquels l'expérience avait été conduite [15, 16].
L'éthanol est-il vraiment plus propre et 'plus vert' que le carburant fabriqué à partir du pétrole ? Dans une audition du Sénat des Etats Unis à propos de la Loi fédérale de 1999 portant sur la soutenabilité des carburants et des produits chimiques, le NRDC a démontré [17] que les produits de combustion de l'éthanol comprennent du formaldéhyde et de l' acétaldéhyde , deux substances qui sont connues pour leurs propriétés carcinogènes, et qu'en outre, une plus grande utilisation de l'éthanol peut également augmenter, dans l'atmosphère, les teneurs en peroxyacétylnitrate (PAN).
Cette information faisait référence à un rapport de l'Université de Californie qui traitait des effets sur la santé des oxygénates dont l'éthanol [18] (des produits chimiques qui contiennent de l'oxygène et qui sont ajoutés aux carburants pour rendre leur combustion plus efficace) : l'emploi de l'éthanol aurait comme conséquence une augmentation des concentrations atmosphériques d'acétaldéhyde et de peroxyacétylnitrate (PAN).
L'acétaldéhyde a été classée comme un contaminant toxique de l'air en Californie, vu l'évidence de sa propension à provoquer des cancers, tandis que le peroxyacétylnitrate (PAN) est " génotoxique [qui cause des dommages génétiques] et produit une irritation oculaire et respiratoire et que ce composé chimique peut produire des dommages au niveau du poumon . »
Le NRDC a précisé qu'une plus grande utilisation de l'éthanol comme carburant pourrait mener à une augmentation de l'exposition à l'éthanol par l'intermédiaire de l'inhalation, ce qui pourrait avoir comme conséquence de le situer dans la gamme des toxicités connues et qui sont liées à l'éthanol ingéré [boissons alcooliques]. Cet organisme avait également mis en garde contre les émissions d' oxydes nitriques et de composés organiques volatils qui sont des précurseurs de l' ozone .
Récemment, C. Hodge de la société ' A Second Opinion Inc. '. a signalé que les teneurs en ozone dans l'atmosphère ont augmenté en Californie dans l'année 2003, en liaison avec la mise en vente un an plus tôt d'un carburant contenant 10 pour cent d'éthanol, de l' ETBE (éthyl tertio butyl éther) ou éther butylique tertiaire méthylique [19].
Les taux d'ozone dans l'air ont été observés dans le bassin atmosphérique aérien de la côte sud de la Californie : ils étaient deux fois supérieurs à ceux des trois années précédentes, et la concentration maximum en ozone atteignait 22 pour cent. Cette augmentation des teneurs en ozone a été en effet été corrélée avec l'augmentation des émissions des oxydes nitriques et des composés organiques volatils ; cela a échappé à l'Agence pour la protection de l'environnement des Etats-Unis ( Environmental Protection Agency, EPA ), pour sa notification.
Cet organisme EPA a donné un avis favorable – sans effet nocif sur la santé - à l'ajout de l'éthanol dans le carburant, en se référant à un modèle défectueux pour les expérimentations qui n'a pas tenu compte du fait que l'éthanol tend à produire davantage d'oxydes nitriques, lesquels ont une tendance à se répandre par les joints des systèmes de carburation des véhicules à moteur, à dégrader la manoeuvrabilité et à augmenter de ce fait les émissions d'échappement.
L'Agence pour la protection de l'environnement des Etats-Unis ( Environmental Protection Agency, EPA) a réclamé " une interdiction, pas une extension "de l'utilisation de l'éthanol dans les carburants aux Etats-Unis.
Article first published 15/03/06
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