Charles Cai de l’UCR et un réacteur CELF de 20 gallons nouvellement installé qui sera utilisé dans le projet de mise à l’échelle. Crédit : Stan Lim/UCR
Dans le processus de conversion des plantes en combustible, la phase initiale – la décomposition du matériel végétal – a toujours posé le plus grand défi. Des recherches récentes révèlent que l’incorporation d’un produit chimique facilement renouvelable pendant la phase de prétraitement pourrait enfin rendre la production de biocarburants avancés économiquement viable et neutre en carbone.
Pour que les biocarburants puissent concurrencer le pétrole, les opérations de bioraffinerie doivent être conçues pour mieux utiliser la lignine. La lignine est l’un des principaux composants des parois cellulaires végétales. Il confère aux plantes une plus grande intégrité structurelle et une plus grande résilience face aux attaques microbiennes. Cependant, ces propriétés naturelles de la lignine rendent également difficile son extraction et son utilisation de la matière végétale, également connue sous le nom de biomasse.
« L’utilisation de la lignine est la porte d’entrée pour produire ce que vous voulez à partir de la biomasse de la manière la plus économique et la plus respectueuse de l’environnement possible », a déclaré Charles Cai, professeur de recherche associé à l’UC Riverside. « Concevoir un procédé 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 le CELF, qui signifie fractionnement lignocellulosique amélioré par un co-solvant. Il s’agit d’une technologie innovante de prétraitement de la biomasse.
« Le CELF utilise du tétrahydrofurane ou THF pour compléter l’eau et diluer acide lors du prétraitement de la biomasse. Cela améliore l’efficacité globale et ajoute des capacités d’extraction de lignine », a déclaré Cai. « Mieux encore, le THF lui-même peut être fabriqué à partir de sucres de biomasse. »
Avantages économiques et environnementaux du CELF
Un article historique sur les sciences de l’énergie et de l’environnement détaille dans quelle mesure une bioraffinerie CELF offre des avantages économiques et environnementaux par rapport aux carburants à base de pétrole et aux méthodes de production de biocarburants antérieures.
L’article est le fruit d’une collaboration entre l’équipe de recherche de Cai à l’UCR, le Centre pour l’innovation en bioénergie géré par les Laboratoires nationaux d’Oak Ridge et le Laboratoire national des énergies renouvelables, avec un financement fourni par l’Office of Science du Département américain de l’énergie. Dans ce document, les chercheurs considèrent deux variables principales : quel type de biomasse est le plus idéal et que faire de la lignine une fois qu’elle a été extraite.
Charles Cai, professeur de recherche associé à l’UC Riverside, qui a inventé le CELF, une technologie de prétraitement de la biomasse qui pourrait rendre les biocarburants de nouvelle génération compétitifs par rapport au pétrole. Crédit : Stan Lim/UCR
Les opérations de biocarburants de première génération utilisent des cultures vivrières comme le maïs, le soja et la canne à sucre comme matières premières ou matières premières. Étant donné que ces matières premières détournent les terres et l’eau de la production alimentaire, leur utilisation pour les biocarburants n’est pas idéale.
Les opérations de deuxième génération utilisent de la biomasse végétale non comestible comme matière première. Un exemple de matières premières de biomasse comprend les résidus de bois provenant des opérations de meunerie, la bagasse de canne à sucre ou les tiges de maïs, qui sont tous des sous-produits abondants et peu coûteux des opérations forestières et agricoles.
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.
Sélection des matières premières optimales et réalisation d’avantages économiques
Étant donné qu’une bioraffinerie CELF peut utiliser plus pleinement la matière végétale que les méthodes précédentes de deuxième génération, les chercheurs ont découvert qu’une matière première plus lourde et plus dense, comme le peuplier feuillu, est préférable à une tige de maïs moins dense en carbone pour générer de plus grands avantages économiques et environnementaux.
En utilisant du peuplier dans une bioraffinerie du CELF, les chercheurs démontrent que du carburant d’aviation durable pourrait être produit à un prix d’équilibre aussi bas que 3,15 dollars par gallon d’équivalent essence. Le coût moyen actuel d’un gallon de carburéacteur aux États-Unis est de 5,96 $.
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 délivrés pour les biocarburants de deuxième génération, le niveau D3, se négocie généralement à 1 $ le gallon ou plus. A ce prix par crédit, le journal démontre qu’on peut s’attendre à un taux de rendement de l’opération supérieur à 20 %.
« Dépenser un peu plus pour une matière première plus riche en carbone comme le peuplier génère toujours plus d’avantages économiques qu’une matière première moins chère comme la tige de maïs, car vous pouvez en tirer plus de carburant et de produits chimiques », a déclaré Cai.
L’article illustre également comment l’utilisation de la lignine peut contribuer positivement à l’économie globale de la bioraffinerie tout en maintenant l’empreinte carbone aussi faible que possible. Dans les anciens modèles de bioraffinerie, où la biomasse est cuite dans de l’eau et de l’acide, la lignine est pour la plupart inutilisable au-delà de sa valeur calorifique.
« Les modèles plus anciens choisiraient de brûler la lignine pour compléter la chaleur et l’énergie de ces bioraffineries, car ils ne pourraient principalement exploiter que les sucres de la biomasse – une proposition coûteuse qui laisse beaucoup de valeur de côté », a déclaré Cai.
Outre une meilleure utilisation de la lignine, le modèle de bioraffinerie CELF propose également de produire des produits chimiques renouvelables. Ces produits chimiques pourraient être utilisés comme éléments constitutifs des bioplastiques et des composés aromatisants pour les aliments et les boissons. Ces produits chimiques absorbent une partie du carbone de la biomasse végétale qui ne serait pas rejeté dans l’atmosphère sous forme de CO.2.
« L’ajout de THF contribue à réduire le coût énergétique du prétraitement et à isoler la lignine, de sorte que vous n’aurez plus à la brûler. En plus de cela, nous pouvons fabriquer des produits chimiques renouvelables qui nous aident à atteindre un potentiel de réchauffement climatique proche de zéro », a déclaré Cai. « Je pense que cela fait passer l’aiguille des biocarburants Gen 2 à Gen 2+. »
À la lumière des récents succès de l’équipe, le Bureau de technologie bioénergétique 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. 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 à partir de 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 mes collègues et moi l’avons fait », a déclaré Cai. « Grâce au CELF, nous avons montré qu’il est 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. »
