Des biocarburants peu coûteux et neutres en carbone, c'est enfin possible
Outre une meilleure utilisation de la lignine, la technologie innovante de prétraitement de la biomasse propose également de produire des produits chimiques renouvelables
Lorsqu'il s'agit de produire du carburant à partir de plantes, la première étape a toujours été la plus difficile : la décomposition de la matière végétale. Une nouvelle étude révèle que l'introduction d'un produit chimique simple et renouvelable dans l'étape de prétraitement peut enfin rendre la production de biocarburants de la prochaine génération à la fois rentable et neutre en carbone.
Charles Cai, professeur associé de recherche à l'UC Riverside, qui a inventé le CELF, une technologie de prétraitement de la biomasse qui pourrait rendre les biocarburants de la prochaine génération compétitifs par rapport au pétrole.
Stan Lim / UCR
Pour que les biocarburants puissent concurrencer le pétrole, les opérations de bioraffinage doivent être conçues de manière à mieux utiliser la lignine. La lignine est l'un des principaux composants des parois cellulaires des plantes. Elle confère aux plantes une plus grande intégrité structurelle et une meilleure résistance aux attaques microbiennes. Toutefois, ces propriétés naturelles de la lignine la rendent également difficile à extraire et à utiliser à partir de la matière végétale, également connue sous le nom de biomasse.
"L'utilisation de la lignine est la porte d'entrée pour obtenir ce que l'on veut de la biomasse de la manière la plus économique et la plus respectueuse de l'environnement possible", a déclaré Charles Cai, professeur associé de recherche à l'UC Riverside. "La conception d'un processus capable de mieux utiliser à la fois la lignine et les sucres présents dans la biomasse est l'un des défis techniques les plus passionnants dans ce domaine.
Pour surmonter l'obstacle de la lignine, Cai a inventé CELF, qui signifie co-solvent enhanced lignocellulosic fractionation (fractionnement lignocellulosique amélioré par des co-solvants). Il s'agit d'une technologie innovante de prétraitement de la biomasse.
"Le CELF utilise le tétrahydrofurane ou THF pour compléter l'eau et diluer l'acide pendant le prétraitement de la biomasse. Il améliore l'efficacité globale et ajoute des capacités d'extraction de la lignine", a déclaré M. Cai. "Mieux encore, le THF peut être fabriqué à partir des sucres de la biomasse.
Un article de référence sur l'énergie et les sciences de l'environnement explique en détail dans quelle mesure une bioraffinerie CELF offre des avantages économiques et environnementaux par rapport aux carburants à base de pétrole et aux méthodes antérieures de production de biocarburants.
Cet article est le fruit d'une collaboration entre l'équipe de recherche de M. Cai à l'UCR, le Center for Bioenergy Innovation géré par Oak Ridge National Laboratories et le National Renewable Energy Laboratory, avec un financement fourni par l'Office of Science du ministère américain de l'énergie. Dans cette étude, les chercheurs prennent en compte deux variables principales : le type de biomasse le plus approprié et le traitement de la lignine une fois qu'elle a été extraite.
Les biocarburants de première génération utilisent des cultures vivrières telles que le maïs, le soja et la canne à sucre comme matières premières. Comme ces matières premières détournent les terres et l'eau de la production alimentaire, leur utilisation pour les biocarburants n'est pas idéale.
Les exploitations de deuxième génération utilisent la biomasse végétale non comestible comme matière première. Il s'agit par exemple de résidus de bois provenant d'opérations de broyage, de bagasse de canne à sucre ou de tiges de maïs, qui sont tous des sous-produits abondants et peu coûteux de la sylviculture et de l'agriculture.
Selon le ministère de l'énergie, jusqu'à un milliard de tonnes de biomasse par an pourraient être mises à disposition pour la fabrication de biocarburants et de bioproduits rien qu'aux États-Unis, ce qui permettrait de remplacer 30 % de notre consommation de pétrole tout en créant de nouveaux emplois nationaux.
Étant donné qu'une bioraffinerie CELF peut utiliser plus complètement la matière végétale que les méthodes antérieures de deuxième génération, les chercheurs ont constaté qu'une matière première plus lourde et plus dense comme le peuplier feuillu est préférable à la canne de maïs, moins dense en carbone, pour obtenir des avantages économiques et environnementaux plus importants.
En utilisant le peuplier dans une bioraffinerie du CELF, les chercheurs démontrent qu'il est possible de produire du carburant aviation durable à un prix d'équilibre aussi bas que 3,15 dollars par gallon d'équivalent essence. Le coût moyen actuel d'un gallon de kérosène aux États-Unis est de 5,96 dollars.
Le gouvernement américain accorde des crédits pour la production de biocarburants sous la forme de crédits de numéro d'identification renouvelable, une subvention destinée à soutenir la production nationale de biocarburants. Le niveau de ces crédits émis pour les biocarburants de deuxième génération, le niveau D3, est généralement négocié à 1 dollar par gallon ou plus. À ce prix par crédit, le document démontre que l'on peut attendre un taux de rendement de plus de 20 % de l'opération.
"Dépenser un peu plus pour une matière première plus riche en carbone comme le peuplier produit toujours plus d'avantages économiques qu'une matière première moins chère comme les tiges de maïs, parce qu'on peut en tirer plus de carburant et de produits chimiques", explique M. Cai.
L'article illustre également comment l'utilisation de la lignine peut contribuer positivement à l'économie globale du bioraffinage tout en maintenant l'empreinte carbone aussi basse que possible. Dans les anciens modèles de bioraffinage, où la biomasse est cuite dans de l'eau et de l'acide, la lignine est en grande partie inutilisable au-delà de son pouvoir calorifique.
"Les anciens modèles choisissaient de brûler la lignine pour compléter la chaleur et l'énergie de ces bioraffineries parce qu'ils ne pouvaient utiliser que les sucres de la biomasse - une proposition coûteuse qui laisse beaucoup de valeur sur la table", a déclaré M. Cai.
Outre une meilleure utilisation de la lignine, le modèle de bioraffinerie du CELF propose également de produire des produits chimiques renouvelables. Ces produits chimiques pourraient être utilisés comme éléments constitutifs de bioplastiques et de composés aromatiques pour les aliments et les boissons. Ces produits chimiques absorbent une partie du carbone de la biomasse végétale qui ne serait pas rejetée dans l'atmosphère sous forme deCO2.
"L'ajout de THF permet de réduire le coût énergétique du prétraitement et d'isoler la lignine, de sorte qu'il n'est plus nécessaire de la brûler. En outre, nous pouvons fabriquer des produits chimiques renouvelables qui nous aident à atteindre un potentiel de réchauffement planétaire proche de zéro", a déclaré M. Cai. "Je pense que cela fait passer l'aiguille des biocarburants de la génération 2 à la génération 2+.
À la lumière des récents succès de l'équipe, le Bureau des technologies bioénergétiques du ministère de l'énergie a accordé aux chercheurs une subvention de 2 millions de dollars pour construire une usine pilote CELF à petite échelle à l'UCR. M. Cai espère que la démonstration de l'usine pilote conduira à des investissements à plus grande échelle dans la technologie, car l'exploitation de l'énergie des combustibles fossiles contribue au réchauffement climatique et nuit à la planète.
"J'ai commencé ce travail il y a plus de dix ans parce que je voulais avoir un impact. Je voulais trouver une alternative viable aux combustibles fossiles et c'est ce que mes collègues et moi-même avons fait", a déclaré M. Cai. "Grâce au CELF, nous avons montré qu'il était possible de créer des carburants rentables à partir de la biomasse et de la lignine et de contribuer à réduire notre contribution aux émissions de carbone dans l'atmosphère.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Bruno Colling Klein et al.; "Economics and global warming potential of a commercial-scale delignifying biorefinery based on co-solvent enhanced lignocellulosic fractionation to produce alcohols, sustainable aviation fuels, and co-products from biomass"; Energy & Environmental Science, Volume 17, 2024
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