Le carburéacteur fabriqué à partir de canne à sucre pourrait-il être la clé d'un vol plus propre?

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 en représente plus de 40% - mais l’aviation est l’une des sources de gaz à effet de serre qui connaît la croissance 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 actuellement 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 lipidcane 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. ASTM International, une organisation mondiale d'élaboration de normes, 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 actuels de production 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.

Nous nous sommes demandé si nous pouvions augmenter la production d’huile naturelle de la plante et l’utiliser pour produire du biodiesel, ce qui présente des avantages environnementaux encore plus grands. 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 carburéacteurs 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. Beaucoup de 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.

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 minimisant 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.

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 carburéacteur des États-Unis. Actuellement, en dollars courants, ce carburant coûterait aux compagnies aériennes 5,31 USD par gallon, soit moins que les biocarburants produits 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 jusqu’à 5,6%. Cela pourrait être accompli sans empiéter sur des zones que le gouvernement brésilien a désignées comme étant sensibles à l'environnement, telles que la forêt tropicale.

À la poursuite de «energycane»

Notre recherche sur les lipidcanes comprend également l’ingénierie génétique de la plante pour une photosynthèse plus efficace, ce qui se traduit par une croissance accrue. Dans un article publié en 2016 dans Science, l'un de nous (Stephen Long) et des collègues d'autres institutions ont démontré qu'améliorer l'efficacité de la photosynthèse dans Lipidcane augmentait sa croissance de 20%. 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.

Notre équipe commence maintenant à concevoir une variété de canne à sucre à rendement plus élevé que nous appelons «energycane» 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 importante.

Cet article a été publié à l'origine sur The Conversation par Deepak Kumar, chercheur postdoctoral; Stephen P. Long, professeur de phytotechnie et de biologie végétale; Vijay Singh, professeur de génie agricole et biologique et directeur du laboratoire de recherche intégrée sur les bioprocédés, Université de l'Illinois à Urbana-Champaign. Lisez l'article original ici.