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MICROALGUES SOUS SERRE PHOTOVOLTAIQUE
Les organismes phytoplanctoniques, dont la taille varie du micron à la centaine de microns, utilisent la lumière comme source d’énergie pour fixer le dioxyde de carbone. Ces microalgues se trouvent en abondance dans les milieux aquatiques (océans, rivières, lacs, etc.) et ont l’avantage de pouvoir être cultivées dans des enceintes confinées (des photobioréacteurs), mais aussi des bassins à ciel ouvert ou même des marais salants.
Leur accumulation de matière végétale, par photosynthèse, est phénoménale, et elles stockent une grande quantité d’huiles et des sucres à partir desquels peuvent être élaborés du biodiesel et du bioéthanol. En outre, elles permettent de recycler du CO2 industriel et des résidus d’engrais, nitrates ou phosphates, qui dopent leur croissance.
On estime entre 200 000 et plusieurs millions le nombre d’espèces existantes, à comparer aux 250 000 espèces de plantes supérieures recensées. Une telle diversité non exploitée constitue un réel potentiel pour la recherche et l’industrie, notamment comme alternative aux agrocarburants actuellement sur le marché, puisque ces derniers concurrencent les cultures alimentaires et affichent un mauvais bilan environnemental.
Partant de ce constat, des recherches ont été engagées et les travaux menés en laboratoires ont démontré, dans un premier temps, que les carburants à base d’algues (algocarburants) pouvaient répondre point par point aux critiques des agrocarburants, avec de surcroit des productivités bien supérieures.
Du coté industriel, le potentiel des algocarburants a immédiatement généré un engouement massif : Mobile a annoncé 600 millions de dollars d’investissements sur ce thème, Sapphire Energy à San Diego a levé 100 millions de dollars, Solazyme à San Francisco a récolté 76 millions de dollars… Pour autant, force est de reconnaître, à ce jour, que les rendements obtenus industriellement pour produire les algocarburants sont très en deçà des résultats attendus pour produire des biocarburants à moindre impact environnemental, et à un coût compétitif.
Par contre, les recherches ont mis en lumière le potentiel des microalgues pour répondre, à court terme, à un certain nombre de marchés. En effet, dotées d’une croissance rapide, les microalgues ont la particularité de pouvoir produire des substances industriellement intéressantes pour des domaines aussi variés que la chimie verte (engrais, bioplastique), les bioénergies (biogaz et biodiesel), les cosmétiques et les produits pharmaceutiques (antioxydants, pigments, vitamines, protéines,..).
Ces caractéristiques associées à de nouvelles méthodes de production compétitives et durables permettent alors d’envisager « l’or vert » comme une véritable ressource d’avenir.
Ces applications en plein développement sont également à la recherche de procédés de culture plus productifs et moins énergivores. Dans ce but, une nouvelle génération de serre solaire est en train de voir le jour dans le cadre du programme ANR Bio-Matières et Energie (Bio-ME) développé au sein de la technopole Sofia-Antipolis (Alpes Maritimes).
PURPLE SUN
Le projet - baptisé Purple Sun - a pour ambition de permettre à la filière microalgues sous serres d’exploiter son extraordinaire potentiel de développement en minimisant ses coûts de production et son empreinte environnementale.
Purple Sun vise la mise au point d’un concept révolutionnaire de serre solaire permettant d’utiliser sélectivement la lumière pour combiner, de manière optimale, la production de biomasse tirée des algues par photosynthèse et la production d’énergie photovoltaïque. Cette nouvelle génération de serre solaire offrira un rendement élevé à des coûts réduits, permettant d’accélérer le développement de la filière microalgues.
Avec en ligne de mire, un développement économique qui pourrait bien profiter à toute la région PACA.
UNE SERRE PHOTOVOLTAIQUE ET PHOTOSYNTHETIQUE
«Les procédés actuels de culture et d’extraction consomment autant d’énergie que les microalgues en restituent», indique Olivier Bernard, de l’Institut national de recherche en informatique et en automatique (Inria). Ce qui explique pourquoi ce phytoplancton est aujourd’hui cultivé dans le monde pour des marchés à forte valeur ajoutée - compléments alimentaires, cosmétiques ou médicaments -, mais n’offre pas encore la rentabilité nécessaire pour sa transformation en biocarburant.
«Notre objectif, décrit le chercheur, est de combiner production de biomasse algale et production d’électricité, en utilisant sélectivement la lumière.» La nature n’étant pas aussi parfaite qu’on l’imagine parfois, la photosynthèse dont les végétaux tirent leur énergie vitale exploite mal, en effet, la totalité du spectre solaire. Les plantes ne profitent que d’une partie de ce rayonnement et souffrent même d’un excès de lumière qui, en détruisant des protéines clés de leurs cellules, provoque des phénomènes de photo-saturation ou de photo-inhibition délétères pour leur croissance.
La première phase a consisté à tester la réponse de souches de microalgues aux variations de conditions lumineuses et de température, explique Antoine Sciandra, directeur du Laboratoire d’océanographie de Villefranche-sur-Mer (CNRS - Université Pierre-et-Marie-Curie). Les essais se poursuivront dans la serre photovoltaïque de Sophia-Antipolis, de 700 m², et dans un second démonstrateur, de 60 m², installé à Villefranche-sur-Mer.
«Rapportée à la surface d’un terrain de football, la production annuelle escomptée est de 50 tonnes de biomasse algale, soit 15 tonnes de biocarburant, et de 200 mégawattheures», calcule Olivier Bernard de l’INRIA. Le dispositif deviendrait ainsi «à énergie positive», le surplus d’électricité étant injecté sur le réseau. Une étape clé vers un développement industriel qui pourrait intervenir «à l’horizon de quelques années». En comparaison avec des serres traditionnelles, elle permettrait d’obtenir les résultats suivants :
Une économie d’énergie de 40 à 50%,
Plus aucun rejet d’excédent d’engrais, donc de pollution des sols,
Une réduction de pesticides de 90%,
Une forte réduction d’eau en fonction des plantes cultivées.
PERSPECTIVES
La voie explorée par le projet Purple Sun permettra, à terme, de préparer la prochaine génération de composants photovoltaïques optimisés pour les serres de microalgues. L’optimisation conjointe du dispositif photovoltaïque et du procédé de production de microalgues nécessitera de nombreux développements, et une décennie sera probablement nécessaire pour que ces systèmes de production de biocarburants deviennent rentables.
En attendant, ce nouveau prototype devrait constituer une solution efficace pour le recyclage du CO2 et la production de biocarburants dits de 3ème génération. Sans compter que, selon les concepteurs, cette nouvelle génération de procédés de culture représentera une opportunité pour la production de composés à haute valeur ajoutée.
LES FOCUS LES FOCUS LES FOCUS LES FOCUS LES FOCUS LES FOCUS
D’où l’idée de partager le flux de lumière solaire, c’est-à-dire les longueurs d’onde, ou les couleurs. Certaines serviront à faire se multiplier les microalgues, qui tirent surtout parti du bleu et du rouge - d’où le nom du projet, «soleil violet». Les autres activeront des cellules photovoltaïques pour générer de l’électricité.
Il y faudra la pose d’un revêtement spécial sur les serres. C’est ici qu’intervient la société Sunpartner Technologies, une jeune PME d’Aix-en-Provence spécialisée dans les films photovoltaïques pour écrans de téléphones portables et de tablettes, vitrages ou panneaux publicitaires.
«Nous allons jouer sur les matériaux, la transparence et les zones d’ombre pour répartir au mieux les longueurs d’onde», annonce son responsable technique, Frank Edmé.
UNE TECHNOLOGIE BREVETEE
Purple Sun s’appuie sur les techniques modernes de design et de pilotage des serres (INRA), et il mobilise les compétences de spécialistes en microalgues (LOV et INRIA), en technologies photovoltaïques innovantes (Sunpartner Technologies et Armines), en calcul numérique (INRIA).
Le projet s’inscrit dans le contexte de GreenStars, Institut d’Excellence sur les énergies décarbonées, financé par les investissements d’avenir. Distingué en novembre 2013 par le Conseil Général des Alpes Maritimes avec le prix spécial du jury des « Trophées Climat Energie », le projet Purple Sun a obtenu un financement de 3M€ sur trois ans par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR).
Focus au 15/02/2016
NB : Pour de plus amples informations ou pour des études de réalisation, nous contacter par le biais du formulaire de contact
UN PRINCIPE ETENDU A D’AUTRES CULTURES
«Le principe des serres photovoltaïques pour microalgues pourrait être étendu à d’autres cultures», pense Christine Poncet, directrice adjointe de l’Institut Sophia Agrobiotech (INRA - CNRS - Université de Nice). Il existe déjà, dans le monde, entre 3 et 5 millions d’hectares cultivés sous serre. En France, quelque 80 000 hectares de serres sont recouverts de panneaux solaires. Mais beaucoup de ces installations ne visaient que la rente financière tirée de la revente d’électricité: certaines n’abritaient même aucune production agricole. A l’avenir, le soleil pourrait y faire pousser, en synergie, légumes, fruits et watts électriques.
Si ce nouveau prototype de serre présente autant d’avantages en termes d’économie d’énergie et de réduction des coûts, il offre surtout de nouvelles perspectives dans le développement futur des microalgues, qui constituent une filière à ce jour très prometteuse pour l’ensemble de la Côte d’Azur.
