L'industrie aéronautique produit 2% des émissions mondiales de dioxyde de carbone d'origine humaine. Cette part peut sembler relativement faible - la production d'électricité et le chauffage domestique représentent plus de 40%, mais l'aviation est l'une des sources de gaz à effet de serre dont la croissance est la plus rapide au monde. La demande de transport aérien devrait doubler au cours des 20 prochaines années.
Les compagnies aériennes sont sous pression pour réduire leurs émissions de carbone et sont extrêmement vulnérables aux fluctuations des prix mondiaux du pétrole. Ces défis ont suscité un vif intérêt pour les carburéacteurs à base de biomasse. Les biocarburants peuvent être produits à partir de divers matériaux végétaux, notamment les oléagineux, les cultures de sucre, les féculents et la biomasse lignocellulosique, par le biais de diverses voies chimiques et biologiques. Cependant, les technologies de conversion du pétrole en carburéacteur en sont à un stade de développement plus avancé et offrent un rendement énergétique supérieur à celui des autres sources.
Nous fabriquons de la canne à sucre, l’usine la plus productive au monde, pour produire du pétrole pouvant être transformé en biocarburant. Dans une étude récente, nous avons constaté que l’utilisation de cette canne à sucre pouvait générer plus de 2 500 litres de biocarburant par acre de terrain. En termes simples, cela signifie qu'un Boeing 747 pourrait voler pendant 10 heures avec du biocarburant produit sur seulement 54 acres de terrain. Comparativement à deux sources végétales concurrentes, le soja et le jatropha, le lipidane produirait environ 15 à 13 fois plus de carburéacteur par unité de terre, respectivement.
Création de canne à sucre à double usage
Les biocarburants dérivés de matières premières riches en pétrole, tels que la cameline et les algues, ont été testés avec succès lors de vols de démonstration. La Société américaine pour les essais et les matériaux a approuvé un mélange 50/50 de carburéacteur à base de pétrole et de carburéacteur renouvelable hydrotraité destiné aux vols commerciaux et militaires.
Cependant, même après d'importants efforts de recherche et de commercialisation, les volumes de production actuels de biocarburant sont très faibles. La fabrication de ces produits à plus grande échelle nécessitera des améliorations technologiques supplémentaires et des matières premières abondantes et peu coûteuses (cultures utilisées pour fabriquer le carburant).
La canne à sucre est une source de biocarburant bien connue: le Brésil fait fermenter le jus de canne à sucre pour en faire un carburant à base d'alcool depuis des décennies. L'éthanol issu de la canne à sucre produit 25% plus d'énergie que la quantité utilisée pendant le processus de production et réduit les émissions de gaz à effet de serre de 12% par rapport aux combustibles fossiles.
Récolte de canne à sucre au Brésil (Jonathan Wilkins, CC BY-SA) Nous nous sommes demandé si nous pourrions augmenter la production d'huile naturelle de l'usine et utiliser l'huile pour produire du biodiesel, ce qui offre des avantages environnementaux encore plus importants. Le biodiesel produit 93% de plus d'énergie que nécessaire pour le fabriquer et réduit les émissions de 41% par rapport aux combustibles fossiles. L'éthanol et le biodiesel peuvent tous deux être utilisés dans les biocarburants, mais les technologies permettant de convertir les hydrocarbures d'origine végétale en carburéacteur en sont à un stade avancé de développement, offrent un rendement énergétique élevé et sont prêtes pour un déploiement à grande échelle.
Lorsque nous avons proposé pour la première fois à la canne à sucre de produire davantage de pétrole, certains de nos collègues ont pensé que nous étions fous. Les plants de canne à sucre ne contiennent que 0, 05% d’huile, ce qui est bien trop peu pour être converti au biodiesel. De nombreux scientifiques spécialistes des plantes ont émis l'hypothèse que l'augmentation de la quantité d'huile à 1% serait toxique pour l'usine, mais nos modèles informatiques ont prédit que nous pourrions augmenter la production de pétrole à 20%.
Avec le soutien de l'Agence des projets de recherche avancée du ministère de l'Énergie, nous avons lancé un projet de recherche intitulé Plants conçus pour remplacer le pétrole dans la canne à sucre et le sorgho, ou PETROSS, en 2012. Depuis lors, grâce au génie génétique, nous avons augmenté la production de pétrole et de acides gras pour obtenir 12% d'huile dans les feuilles de canne à sucre.
Une bouteille d'huile produite à partir de PETROSS lipidcane (Claire Benjamin / Université de l'Illinois, CC BY-ND) Nous travaillons maintenant pour atteindre 20% d'huile - la limite théorique, selon nos modèles informatiques - et ciblons cette accumulation d'huile sur la tige de la plante, où elle est plus accessible que dans les feuilles. Nos recherches préliminaires ont montré que même si les usines d’ingénierie produisent davantage d’huile, elles continuent de produire du sucre. Nous appelons ces plantes artificielles lipidcane.
Plusieurs produits de lipidcane
Lipidcane offre de nombreux avantages pour les agriculteurs et l'environnement. Nous calculons que la culture de lipidène contenant 20% d’huile serait cinq fois plus rentable par acre que le soja, principale matière première utilisée actuellement pour fabriquer du biodiesel aux États-Unis, et deux fois plus rentable par acre que le maïs.
Pour être durables, les biocarburants doivent également être économiques à traiter et avoir des rendements de production élevés qui minimisent l'utilisation des terres arables. Nous estimons que, par rapport au soja, un lipidane contenant 5% d’huile pourrait produire quatre fois plus de carburéacteur par acre de terrain. Lipidcane avec 20% d’huile pourrait produire plus de 15 fois plus de carburéacteur par acre.
Et lipidcane offre d'autres avantages énergétiques. Les parties de la plante laissées après l'extraction du jus, appelée bagasse, peuvent être brûlées pour produire de la vapeur et de l'électricité. Selon notre analyse, cela générerait plus qu'assez d'électricité pour alimenter la bioraffinerie, de sorte que le surplus d'électricité pourrait être revendu au réseau, remplaçant l'électricité produite à partir de combustibles fossiles - une pratique déjà utilisée dans certaines usines au Brésil pour produire de l'éthanol à partir de canne à sucre.
Une récolte potentielle de bioénergie aux États-Unis
La canne à sucre se développe sur des terres marginales qui ne conviennent pas à de nombreuses cultures vivrières. Actuellement, il est cultivé principalement au Brésil, en Inde et en Chine. Nous sommes également en train de concevoir Lipidcane pour qu’il soit plus tolérant au froid et qu’il puisse être élevé plus largement, en particulier dans le sud-est des États-Unis sur des terres sous-utilisées.
Une carte de la région de culture de lipidane tolérant au froid (PETROSS) Si nous consacrions 23 millions d’acres dans le sud-est des États-Unis à du lipidcan avec 20% de pétrole, nous estimons que cette culture pourrait produire 65% de l’approvisionnement en carburant américain. Actuellement, en dollars courants, ce carburant coûterait aux compagnies aériennes 5, 31 USD par gallon, soit moins que le biocarburant produit à partir d'algues ou d'autres cultures oléagineuses telles que le soja, le canola ou l'huile de palme.
Lipidcane pourrait également être cultivé au Brésil et dans d'autres régions tropicales. Comme nous l’avons récemment signalé dans Nature Climate Change, l’augmentation importante de la production de canne à sucre ou de lipidane au Brésil pourrait réduire les émissions mondiales de dioxyde de carbone de 5, 6% au maximum. Cela pourrait être accompli sans empiéter sur des zones que le gouvernement brésilien a désignées comme étant sensibles à l'environnement, comme la forêt tropicale.
À la poursuite de 'energycane'
Notre recherche sur les lipidcanes comprend également l'ingénierie génétique de la plante pour la rendre plus efficace dans la photosynthèse, ce qui se traduit par une croissance accrue. Dans un article de Science paru en 2016, l'un de nous (Stephen Long) et des collègues d'autres institutions ont démontré qu'améliorer l'efficacité de la photosynthèse du tabac augmentait sa croissance de 20%. Actuellement, des recherches préliminaires et des essais sur le terrain côte à côte suggèrent que nous avons amélioré l'efficacité photosynthétique de la canne à sucre de 20% et de près de 70% par temps frais.
Canne à sucre normale (à gauche) poussant aux côtés de la canne à sucre PETROSS, visiblement plus haute et plus touffue, en cours d’essais sur le terrain à l’Université de Floride. (Fredy Altpeter / Université de Floride, CC BY-ND) Notre équipe commence maintenant à travailler à la mise au point d'une variété de canne à sucre à rendement plus élevé que nous appelons «energy cane» afin d'accroître la production de pétrole par acre. Nous avons encore beaucoup de chemin à parcourir avant de pouvoir le commercialiser, mais développer une usine viable avec suffisamment d’huile pour produire de manière économique du biodiesel et du biocarburant est une première étape majeure.
Note de l'éditeur: Cet article a été mis à jour pour préciser que l'étude de Stephen Long et d'autres publiées dans Science en 2016 visait à améliorer l'efficacité de la photosynthèse dans les plants de tabac.
Cet article a été publié à l'origine sur The Conversation.
Deepak Kumar, chercheur postdoctoral, Université de l'Illinois à Urbana-Champaign
Stephen P. Long, professeur de phytotechnie et de biologie végétale, Université de l'Illinois à Urbana-Champaign
Vijay Singh, professeur de génie agricole et biologique et directeur du laboratoire de recherche intégrée en bioprocédés, Université de l'Illinois à Urbana-Champaign
