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MICRO-ALGUES ET BIOCARBURANTS DE
TROISIÈME GÉNÉRATION
RENCONTRES CEA-INDUSTRIES
12 DECEMBRE 2012
Florian Delrue
CNRC Meeting October 2012 | PAGE 1
(C) AIM
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CONTEXTE GÉNÉRAL : LES BIOCARBURANTS 1G ET 2G
Biocarburants de première génération
Biocarburants de deuxième génération
| PAGE 2Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012
- Utilisation de l’ensemble de la plante- En compétition avec l’agriculture- Bilan énergétique et environnemental
médiocres
- Utilisation des résidus ou cultures dédiées
- Moins de compétition avec l’agriculture mais toujours existante
- Meilleurs bilans environnementaux et énergétiques
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ALGUES
| PAGE 3Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012
(C) Ouest France (C) AP Photo (C) AFP
(C) His Noodly Appendage
(C) Wikimedia Commons
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MACRO-ALGUES / MICRO-ALGUES
Macro-algues
Micro-algues
| PAGE 4Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012(C) Ifremer
(C) RTL
(C) Wikimedia Common
(C) DP
(C) Wernberg et al., 2009
(C) LB3M
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LES MICROALGUES : QUELQUES INFOS GÉNÉRALES
| PAGE 5Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012
(C) AIM
Taille microscopique (1-10 µm)Organisme unicellulaire
Habitat principalement aquatique (eau de mer, eau douce)
Croissance rapide par division cellulaire : plusieurs divisions par jour en conditions favorables
(C) CEA
50% de fixation du CO2A l’origine de notre atmosphèreUn des premiers maillons de la chaîne alimentaire
200 000 à 800 000 espèces dont environ 35 000 décrites
Efficacité photosynthétique allant jusqu’à 9% (6% pour la canne à sucre)
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LES MICROALGUES : UN INTÉRÊT ÉNERGÉTIQUE
• Peuvent contenir jusqu’à 80% de lipides (plus généralement entre 20 et 50%)
• Production possible sur des terres non arables• Production tout au long de l’année
• Pas besoin d’herbicides ni de pesticides• Séquestrent le CO2
• Possibilité de produire des co-produits à haute valeur ajoutée
| PAGE 6Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012
(C) Trimatec
Culture Production d’huile (L/ha)
Mais 172
Soja 446
Jatropha 1892
Huile de palme 5950
Microalgues 20,000 – 60,000Adapté de Chisti et al., 2007
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• Milieu très humide (~1g/L, soit 99.9% d’eau !)
• Demande en eau et en nutriments (N, P, K)
• Apport en CO2 suffisant (2g de CO2 par g d’algues)
• Incertitudes sur :– Coût énergétique– Coût économique– Passage à l’échelle industrielle
CONTRAINTES DE LA FILIÈRE
| PAGE 7Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012
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Un fort engouement depuis environ 5 ans :- Des centaines de start-ups principalement aux USA (>200)- Un nombre de publications en croissance exponentielle (idem brevets)- Beaucoup d’effets d’annonce- Des associations d’entreprises (Exxon – Craig Venter, Total – Cellectis, Shell –
Cellana, Solazyme – Roquette, Sofiprotéol – Fermentalg, EADS – ENN, …)
Nombre de publications par an
| PAGE 8Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012
(C) Wikimedia Commons Source Science Direct
CONTEXTE
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UTILISATION ET PRODUCTION ACTUELLE
Algue Production annuelle (tonnes)
Pays producteur
Applications et Produits
Spirulina 3000 Chine, Inde, Etats-Unis, Myanmar, Japon
Nutrition animale et humaine, phycobiliproteines,Cosmétiques
Chlorella 2000 Taiwan, Allemagne, Japon
Nutrition humaine, aquaculture, cosmétiques
Dunaliella 1200 Australie, Israël, Etats-Unis, Chine
Nutrition humaine, cosmétiques, β-carotène
Aphanizomenon 500 Etats-Unis Nutrition humaineHaematococcus 300 Etats-Unis, Inde,
IsraëlAquaculture, Astaxanthine
Crypthecodinium 240 Etats-Unis Oméga 3 (DHA)Schizochytrium 10 Etats-Unis Oméga 3 (DHA)
| PAGE 9Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012Adapté de Milledge, 2011
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Culture des microalgues
LIGNE DE PRODUCTION
Nutriments (N, P, …)
Eau
CO2 Lumière
| PAGE 10Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012
Récolte / Séchage
Procédé de conversion
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CULTURE DE MICROALGUES
| PAGE 11Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012
Deux types de cultures :
Systèmes ouverts (extensifs) : lagunes classiques et à « haut rendement » (ou raceway)
(C) Texas A&M
(C) Wikimedia Commons
(C) AIM
(C) Aurora Algae
(C) Sapphire Energy
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CULTURE DE MICROALGUES
Systèmes fermés (intensifs) : photobioréacteur
(C) Cal Poly
| PAGE 12Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012
(C) Arizona State University
(C) Sapphire Energy
(C) AIM
(C) AIM
(C) Solix
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LA RÉCOLTE ET LE SÉCHAGE DES MICROALGUES
La récolte
| PAGE 13Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012
(C) AIM
(C) CNIDEP
(C) Princeton(C) Juneng
(C) CG72
(C) Aquadirect
(C) TradeIn Fr
Coagulation-Floculation / Sédimentation
Coagulation-Floculation / Flottation
Séchage solaire
Centrifugation Filtration
Séchage thermique
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LE POTENTIEL DES MICROALGUES
| PAGE 14Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012
Micro-algues
Alimentation animale (aquaculture, bétail)
Cosmétique
Alimentation humaine (nutraceutique)
Chimie finePharmacie
Chimie verte
BioéthanolBiodiesel
BiohydrogèneBiokérosène
Biogaz
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LA FILIÈRE DE RÉFÉRENCE POUR LES BIOCARBURANTS 3G
Production de biocarburant à partir des lipides contenus dans les micro-algues
Deux étapes indispensables :
- L’extraction des lipides contenus dans les microalgues
- La conversion de ces lipides en biocarburant* Biodiesel* Biokérosène
| PAGE 15Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012
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LA FILIÈRE DE RÉFÉRENCE POUR LES BIOCARBURANTS 3G
Extraction des lipides
| PAGE 16Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012
Extraction au solvant
Liquides ioniques
Ultrasons
Micro-ondesChamps électromagnétiques
Actions mécaniques
(C) Making Algae Biodiesel
(C) Balasundaram, et al. 2012
(C) Motasemi et Ani, 2012
(C) BASF
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LA FILIÈRE DE RÉFÉRENCE POUR LES BIOCARBURANTS 3G
L’étape de conversion en biocarburant
| PAGE 17Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012
(C) www.answers-to-your-biodiesel-questions.com
Transestérification Hydro-traitement
(C) Sundyne
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LA FILIÈRE DE RÉFÉRENCE POUR LES BIOCARBURANTS 3G
Liquéfaction hydrothermale
Transformation directe de la biomasse humide en huile (T = 250 – 350°C, P = 100-200 bars)
(C) Université d’Illinois
| PAGE 18Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012
(C) CEA Grenoble
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PRINCIPAUX RÉSULTATS DE L’ÉTUDE TECHNICO-ÉCONOMIQUE RÉALISÉE PAR LE CEA
Bon bilan énergétique : meilleurs que les biocarburants 2G
Couts de production élevés x2 par rapport au diesel de pétrole avec un baril à 100$MAIS si baril à 150$ (horizon 2030) + amélioration technologiques : biodiesel 3G compétitif
Bons résultats environnementaux : plus faibles émissions de gaz à effet de serre (/2 par rapport aux biocarburants 2G, /4 par rapport au diesel de pétrole)Moins d’eau que pour les cultures terrestres
| PAGE 19Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012
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PRINCIPAUX RÉSULTATS DE L’ÉTUDE TECHNICO-ÉCONOMIQUE RÉALISÉE PAR LE CEA
Nécessité de réduire les coûts de l’étape de culture :
> 50% du cout de production si photobioréacteur> 30% si système ouvert
Diminuer la consommation énergétique, surtout sur les postes de récolte et de séchage de la biomasse (responsable d’environ 50% de la dépense énergétique)
Utiliser des déchets organiques comme source de nutriments (eaux usées par exemple) et des sources industrielles de CO2
Importance de la localisation pour les émissions de GES (+70% si aux Etats-Unis, +40% si mix énergétique européen par rapport à la France)
| PAGE 20Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012Principal paramètre : productivité en lipides
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Bâtiment de préconfiguration
Bâtiment méditerrannéen
Bâtiment N°°°°1 :
Plateforme de
préconfiguration• 1000m2
• Halle d’éssai de 150 m2
• Plateforme extérieure
abritée pour la culture de
150 m2
• Espace disponible pour
de la culture en serre
Bâtiment n°°°° 2 :
Plateforme pré-
industrielle•Plateforme de production
pré-industrielle
Aujourd’hui• 30 personnes (25
biologie + 5 procédé)
Objectif pour 2015• 30 personnes en
biologie
• 30 personnes en
procédés
| PAGE 21Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012
LE PROJET BIOMASSE 3G DANS LE CADRE DE LA CITÉ DES ÉNERGIES
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Pays leaders
POSITIONNEMENT DU CEA
France
Angleterre
Allemagne
Espagne
45
65
90
Effectifs estimés
150
Total Europe
350
0
2
4
Nombre centres majeurs
3
12
On entend par chercheurs les personnels de recherche permanents et non permanent dont post-doc et thésard
44
� 12 centres leaders (>10 chercheurs) et au total 350 chercheurs travaillent en R&D dans le
domaine de la biomasse 3G. La France, bien placée, possède le plus grand nombre de centres
de grande taille. Le CEA est positionné 3ème en effectifs.
entre 5 et 10 chercheurs
>10 chercheurs
< 5 chercheurs
Légende
A
BC
Avec 40 personnes et une plateforme de 10 000L de culture, le CEA sehisserait au niveau des leaders mondiaux
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POSITIONNEMENT DU CEA
Les marchés de petits volumes et à haute valeur ajoutée sont des étapes.Le marché des biocarburants constitue un « cap » long terme.
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POSITIONNEMENT DU CEA
Maturité de la technologie
Temps
Premiers marchés adressés :
Cosmétologie PharmacologieNutraceutique
Chimie fine et chimie verte (huiles spéciales, biomatériaux,…)
BiocarburantsNutrition animale
Coût de production
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LES ATOUTS DU PROJET DE LA CITÉ DES ÉNERGIES
iBEB (LB3M) : Un laboratoire sur la biologie des microalgues de renommée internationale
LITEN (LTB) : Des compétences en génie des procédés éprouvées (sur les biocarburants 2G notamment)
LITEN : Des compétences en techniques de captation solaire, essentielles pour la compréhension des phénomènes mis en jeu
LITEN : Des compétences en matériaux avancés à bas coût
| PAGE 25Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012
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LES ATOUTS DU PROJET DE LA CITÉ DES ÉNERGIES
Un projet en lien fort avec les industriels
10aine d’industriels en France sur le domaine (PME) : principalement sur la culture des micro-algues
Présence des « end-users », utilisateurs, de molécules extraites des microalgues : cosmétologie, pharmacologie, nutraceutique, chimie fine et verte
Présence d’entreprises expertes sur les technologies envisagées pour chaque étape du procédé (récolte, extraction, conversion)
| PAGE 26Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012
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CONCLUSIONS
Potentiel important de la biomasse 3G : énergie, cosmétique, nutraceutique, pharmacologie, chimie fine
Besoins en R&D à tous les niveaux : souches, culture, récolte, extraction, conversion
Domaine qui se développe fortement à l’étranger : Etats-Unis, Australie mais aussi Inde, Israël, Pays-Bas, Espagne …
Opportunités nombreuses en France : présence des technologues et des utilisateurs
| PAGE 27Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012
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MERCI DE VOTRE ATTENTION