Production de biocarburant pour automobile à partir de micro-algues Préparé par: BACH TARZI Khaled MOKRANI Selima Senda
Production de biocarburant pour automobile à partir de micro-algues
Préparé par:BACH TARZI KhaledMOKRANI Selima Senda
Introduction
Les biocarburants contribuent à diversifier les sources d'énergie dans les transports, à réduire la dépendance au pétrole.
En réduisant les émissions des gaz à effet de serre, les biocarburants offrent un réel potentiel.
Cependant, leur impact énergétique et environnemental font l'objet de nombreux débats.
Plan
I. Biocarburant
II. Matière première
III. Procédé de production et utilisation
IV. Discussion et perspectives
Biocarburant
Biocarburant de IIIe génération: à base de lipides; extrait à partir des micro-algues; biodiesel, bioéthanol, biokérosène, biogaz,
biohydrogène, butanol, etc. suivant le procédé choisi.
Algocarburant
Matière Première
Algues microscopiques (1-10 µm) unicellulaires, dont la croissance est rapide.
Abondantes dans les milieux aquatiques. Naturellement riches en lipides,
principalement sous forme de triglycérides. Ont une forte activité photosynthétique:
Micro-algues lipidiques
Micro-algues Canne à sucre
Efficacité photosynthétique Jusqu’à 9% 6%
Source: Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012
Matière Première
Métabolisme autotrophe: source de carbone: carbone inorganique (CO2 et
HCO3-);
source d’énergie: lumière du soleil (photons).
Métabolisme hétérotrophe: source de carbone et d’énergie: carbone
organique (ex: nutriments), à l’abri de la lumière.
Métabolisme
Procédé de Production
Sélection: selon la richesse en huile
Culture: grands bassins de plein air, photo-bioréacteurs ou fermenteurs
Récolte, extraction de l’huile: centrifugation/ lyse thermique…etc.
Conversion en biocarburant: trans-estérification/ hydrogénation…etc.
Procédé de Production
Les micro-algues sont préalablement sélectionnées selon leur teneur lipidique qui peut atteindre 80% de la matière sèche.
Remarque: généralement la teneur en lipides est entre 20 et 50%.
Environ 300 espèces (sur un ensemble de 200.000-800.000) ont été identifiées pour leur richesse en huile.
Sélection
Procédé de Production
Il existe trois types de culture pour micro-algues: système ouvert: bassins à ciel ouvert; système fermé: photobioréacteurs, fermenteurs. système hybride
Les conditions de culture sont: autotrophes: eau, sels minéraux, CO2 et lumière; ou hétérotrophes: sucres (ex: eau usée), à l’abri
de la lumière.
Culture
Culture
Milieux: bassins aériens ou photo-bioréacteurs. Inconvénients:
production faible en huile; sinon, faibles % de croissance micro-algale; lipogenèse affectée par le manque de lumière; besoin en eau élevé, lié aussi à l’évaporation; contamination (poussière…) stérilisation.
Solution: utiliser le photo-bioréacteur, un milieu entièrement contrôlé et sécurisé.
Culture autotrophe
Photo-bioréacteurs (IGV Biotech)
Bassin de plein air, au Nouveau-Mexique (Joule Unlimited)
Culture
Milieu: fermenteurs de volume 80-200 m3.Avantages:
productivité et densité algale améliorées;
contrôle du procédé: pH, T°, [O2], agitation; stérilisation possible contamination évitée.
Culture hétérotrophe
Bassin ouvert Fermenteur
Biomasse algale (g/L) 0.5-1.0 20-100
Source: Pienkos et Darzins (2009); Borowitzka (1998)
Fermenteur, à New Delhi (Biomate India Pvt Ltd)
Procédé de Production
Les micro-algues produisent des lipides, principalement des triglycérides.
Les micro-algues ont une très bonne productivité lipidique:
Production d’huile
Maïs Soja Jatropha Palmier à huile Micro-algues
Production d’huile (L/ha) 172 446 1.892 5.950 20.000-60.000
Source: Micro-algues et biocarburants de troisième génération (Florian Delrue, CEA)
Procédé de Production
Les algues sont séparées de l’eau du milieu régulièrement, suivant différentes méthodes:
La choix dépend de la concentration en biomasse et du diamètre des micro-algues.
Récolte
coagulation-floculation /
sédimentation
coagulation-floculation /
flottation
centrifugation filtration
Récolte
Principe: rétention des micro-algues de très faible densité à travers une membrane.
Cependant, la succion exercée par la pompe entraîne fréquemment l’obstruction de la membrane volume traité limité.
Solution: pompe exerçant une pression au-dessus du filtre ou couteaux rotatifs anti-agglomérats plus de volumes traités.
Filtration
Récolte
Principe: séparation des micro-algues de leur milieu de culture par application d’une force centrifuge.
Avantage: concentration des micro-algues (aspect pâteux).
Centrifugation
[Biomasse]initiale: 10-20 g/L
[Biomasse]finale:100-200 g/L
Récolte
Principe: agglomération de la biomasse algale par ajout de floculants formation de flocs algaux, facilement récoltés.
Floculants: chlorure d’aluminium (AlCl3) et de fer III (FeCl3).
Inconvénients: les floculants coûtent cher et il devient impossible de générer des coproduits.
Floculation
Procédé de Production
Avant de procéder à l’extraction des huiles, il est parfois nécessaire de recourir au séchage de la biomasse.
Étape très énergivore. Solution: utiliser des techniques d’extraction
à partir de biomasse humide.
Séchage
Procédé de Production
Étape cruciale affectant la rentabilité du procédé, fait appel à plusieurs techniques:
Extraction des lipides
traitement au solvant
liquides ioniques
champs électro-magnétiques ultrasons
Extraction
Effectué seul suite au séchage 70-75 % de l’huile (algues récoltées) est récupérée.
Effectué en combinaison avec l’extraction par un solvant (hexane) 95 % de l’huile (algues récoltées) est récupérée.
Pressage mécanique
Extraction
Le CO2 est liquéfié par application d’une pression importante et par chauffage propriétés d’un gaz et d’un liquide.
Conditions: 44 °C; 90 min; 28 MPa; QCO2=0.79
kg/h. Avantage: 97% d’huile récupérée à partir des
micro-algues récoltées. Inconvénient: coût élevé lié aux appareils.
CO2 supercritique
Extraction
Principe: provocation d’une réduction de la pression osmotique rupture des parois cellulaires des micro-algues.
Choc osmotique
Extraction
Principe: dégradation des parois cellulaires des micro-algues.
Inconvénient: réaction plus dispendieuse que celle à partir de l’hexane.
Enzyme
Conversion en biocarburant
Procédé de Production
Transestérification Hydrogénation catalytique
Réaction de l’huile algale avec du
méthanol/éthanol
Produit: ester d’huile algale (« biodiesel »)
Réaction de l’huile algale avec de l’hydrogène:
Hydrocraquage des molécules insaturées
Produit: hydrocarbure
Conversion en biocarburant
Procédé de Production
Voie biochimique Voie thermochimiqueHydrolyse enzymatique:
libération des sucres
Fermentation des sucres par des micro-organismes
Produit: éthanol
Liquéfaction de la biomasse: 250-350 °C; 100-200 bar;
pas d’oxygène
Produit: hydrocarbure
Procédé de Production (Crédit: IFPEN)
Utilisation
Mélangé au gazole (7% en volume: B7).
Biodiesel
Hydrocarbure
Incorporé en quantité importante au gazole ou au kérosène.
Bioéthanol Mélangé au sans plomb (5% en volume:
SP95).
Exemple
Micro-algues à métabolisme hétérotrophe:
Sélection
Exemple
Un système fermé: fermenteurs.
Culture
Récolte
Sedicanter® (Flottweg), procédé à 2 étages:Pré-concentration de la suspension algale (bac statique)
Extraction de l’eau du pré-concentré algal (centrifugation)
Exemple
Sedicanter® présente des avantages: concentré algal déshydraté à 25% de la teneur
en solides coûts de déshydratation réduits; centrifugation conduite sur le pré-concentré
algal coûts d’exploitation (eau, énergie…) réduits de 60%;
coûts d’investissement réduits de 25%.
Récolte
Coûts d’exploitation et d’investissement réduits sur la base de 120 m3/h en sortie du réacteur.
Sedicanter®, procédé de récolte (Crédit: Flottweg)
Concentré d’algues (Sedicanter® de Flottweg)
Exemple
Système continu de micro-ondes: 1.2 kW, 2450 MHz.
Chauffage de la suspension algale à 80-95 °C, pendant 30 min, en présence d’hexane.
Rendement d’extraction maximal: 76-77%. Analyse de l’huile extraite par GC: taux élevé
en acides gras essentiels et en acides gras insaturés.
Extraction des lipides
Schéma d’un système de micro-ondes (Richardson Electronics, IL, USA)
Exemple
L’extraction par micro-ondes a plusieurs avantages:
chauffage rapide temps d’extraction réduit requiert peu ou pas de solvants économique et écologique
Extraction des lipides
Exemple
Transestérification: Schéma de la réaction:
Réactifs: huile extraite des micro-algues + méthanol;
Catalyseur: chimique ou enzymatique.
Conversion en biocarburant
Conversion en biocarburant
Méthanol: pas assez nucléophile pour attaquer l’huile
algale; peut être utilisé dans des conditions
supercritiques (350 °C; 19 MPa; 400 s) 95-96% de conversion
Réactif
Conversion en biocarburant
Hydroxyde de potassium (KOH): se dissout facilement et rapidement; produit une glycérine résiduelle moins toxique; 1.4x la quantité de NaOH; coûte plus cher que l’hydroxyde de soude.
Conditions: 100 °C pendant 1h.Résultats:
rendement: 89.7% (g/g d’huile algale); coût: 25 $/tonne de biodiesel.
Catalyseur
Conversion en biocarburant
Lipase: lipase Candida sp. 99-125; enzyme immobilisée sur une résine
macroporeuse; 30% (g/g de lipide, 12.000 U/g de lipide).
Conditions: 38 °C pendant 12 h.Résultats:
rendement: 98% (g/g d’huile algale); coût: 236-836 $/tonne de biodiesel.
Catalyseur
Comparaison des différentes technologies de production de biodiesel (I.M. Atadashi et al., 2011)
Exemple
La transestérification suit différentes étapes:
Conversion en biocarburant
Estérification de l’huile algale avec le méthanol (KOH)
Élimination du méthanol en excès (distillation sous-vide)
Neutralisation du glycérol avec l’acide phosphorique
Séparation du glycérol brut / biodiesel (centrifugation)
Exemple
Incorporé directement dans su diesel à la pompe (7% en volume).
Réduit de 70-75% les émissions de GES par rapport au pétrodiesel.
Maintient propres le réservoir, les conduits et le système d’injection du véhicule.
Plus lubrifiant que le pétrodiesel durée de vie du moteur prolongée.
Biodiesel
Discussion
Meilleur que les biocarburants de Ie et IIe génération.
Bilan énergétique
Discussion
Coûts lié à la culture algale: 50% du coût de production pour un photo-
bioréacteur; 30% du coût de production pour un système
ouvert.
Solution: utiliser des déchets organiques comme source de nutriments (eaux usées) et des sources industrielles de CO2.
Bilan économique
Discussion
Coûts lié à la récolte et au séchage des micro-algues:
50% des dépenses énergétiques.
Solution: diminuer la consommation d’énergie.
Bilan économique
Discussion
Coûts de production élevés: 5-10 € le litre de biocarburant, 100-300 $ le baril surcoût (HT) de l’éthanol / l’essence: 50-80%; surcoût (HT) du biodiesel / gazole: 30-75%.
Remarque: si le baril de pétrole atteint les 150 $ et que la technologie (récolte, extraction, conversion) s’améliore le biodiesel 3G devient compétitif.
Bilan économique
Discussion
Marge de progrès servant à rentabiliser la filière:
Bilan économique
Biomasse algale Biodiesel
Produit à HVA Protéines, vitamines, oligo-éléments Glycérine
Secteur Agroalimentaire, pharmaceutique, cosmétique Cosmétique
Source: Institut français du pétrole Énergies nouvelles (IFPEN)
Discussion
Le bilan écologique est estimé à travers l’analyse de deux paramètres:
émission de gaz à effet de serre (GES); empreinte d’eau: process, production de chaleur,
refroidissement.
L’analyse est effectuée pour tout au long du cycle de vie:
culture et récolte des micro-algues extraction et conversion des lipides purification et utilisation du biocarburant
Bilan écologique: analyse du cycle de vie (ACV)
Discussion
Culture: valorisation des terres non arables pas de compétition avec
les surfaces agricoles; consommation considérable de CO2 (2g CO2/g micro-al.)
recyclage du CO2 émis par des usines
besoins en eau et en nutriments (N, P, K) moins important que pour les cultures terrestres;
pas besoin d’herbicides ou de pesticides.
Bilan écologique: analyse du cycle de vie (ACV)
Source: Pierre Kaleja (Lampadaire piégeur de CO2)
Biomasse algale Arbres
1 tonne de CO2/an 1,5 m3 150-200
Discussion
Production: utilisation du charbon pour la distillation
d’éthanol (cas du bioéthanol) bilan négatif; consommation d’eau: éthanol > biodiesel.
Combustion: dégagement de CO2, compensé par celui qui est
consommé moins de GES émis.
Bilan écologique: analyse du cycle de vie (ACV)
½ par rapport au biocarburant 2G
¼ par rapport au diesel de
pétrole
Discussion
Matière première (espèce)
Mode de culture
(énergie, eau…)
Régions de production - consommati
on
Mode de conversion
(bioéthanol, biodiesel…)
Bilans énergétique, écologique et économique
Eau apportée / Bassin:- Californie (aride): 575 L/ L de carburant- Louisiane (pluvieuse): 0 L/ L de carburant
Perspectives
Soutien direct ou indirect à l'investissement dans les unités de fabrication.
Défiscalisation à la vente. Obligation d'incorporation dans les
carburants (UE).
Soutiens publics
Perspectives
Sélection de souches robustes et très lipidiques.
Optimisation de la culture productivité élevée, sur de longues périodes et pour de gros volumes.
Développement de procédés de séparation eau/biomasse et d'extraction de l’huile moins consommateurs en énergie.
Valorisation de masse pour les coproduits.
Axes de recherche
Conclusion
Les algocarburants possèdent plusieurs avantages, dont la réduction d’émission de GES ainsi que la consommation d’eau.
Compatibles avec un développement durable et concurrençant peu/pas les filière alimentaires, les algocarburants doivent être promus.
Pour industrialiser cette filière, il faut fédérer toutes les forces afin de relever les défis technico-économiques, énergétiques et écologiques.
Bibliographie
Micro-algues et biocarburants de troisième génération; Florian Delrue, CEA (12-Déc 2012)
http://www.cad.cea.fr/fr/actualite/pdf/D_Presentation_Microalgue_Biocarburants3G_FD_121212.pdf Ministère de l’Écologie, du développement
durable et de l’énergie (7-Juil 2011)http://www.developpement-durable.gouv.fr/Les-biocarburants-qu-est-ce-que-c.html
Bibliographie
IFP Énergies Nouvelles (IFPEN)http://www.ifpenergiesnouvelles.fr/espace-decouverte/les-grands-debats/quel-avenir-pour-les-biocarburants Projet Shamengo (6 Mars 2012)http://www.youtube.com/watch?v=-LszaceADrE La production de biodiesel à partir des
micro-algues ayant un métabolisme hétérotrophe (Isabelle Cantin, Juillet 2010)
http://www.usherbrooke.ca/environnement/fileadmin/sites/environnement/documents/Essais2010/Cantin_I__08-07-2010_.pdf
Bibliographie
Jean-Philippe Steyer, Inra Narbonne (18 Octobre 2012):
http://www.lepoint.fr/auto-addict/innovations/carburant-l-algue-marine-prometteuse-18-10-2012-1518410_652.php Sundar Balasubramanian, James D. Allen,
Akanksha Kanitkar, Dorin Boldor: Oil extraction from Scenedesmus obliquus using a continuous microwave system – design, optimization, and quality characterizationBioresource Technology, Volume 102, Issue 3, February 2011, Pages 3396–3403
Bibliographie
Kunchana Bunyakiat, Sukunya Makmee, Ruengwit Sawangkeaw, and Somkiat Ngamprasertsith: Continuous Production of Biodiesel via Transesterification from Vegetable Oils in Supercritical Methanol
Marc Veillette, Mostafa Chamoumi, Josiane Nikiema, Nathalie Faucheux and Michèle Heitz: Production of Biodiesel from Microalgae
http://cdn.intechopen.com/pdfs/33981/InTech-Production_of_biodiesel_from_microalgae.pd
Bibliographie
I.M. Atadashi, M.K. Aroua, A. Abdul Aziz: Biodiesel separation and purification: A review (2011)
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960148110003435# Nikitine Clémence, Crampon Christelle,
Boutin Olivier, Badens Elisabeth: Extraction d’huile microalgale par CO2 supercritique. Influence des paramètres opératoires sur les rendements d’extraction.