Les biocarburants de deuxième génération : une révolution dans la production énergétique et leurs méthodes de récolte

Introduction : L'évolution des biocarburants face aux défis mondiaux

Les préoccupations croissantes concernant la sécurité alimentaire mondiale et les émissions de gaz à effet de serre (GES) ont incité à une réévaluation des sources d'énergie et à la recherche de solutions plus durables. Dans ce contexte, les biocarburants sont apparus comme une alternative prometteuse aux carburants fossiles, notamment pour le secteur des transports. Le secteur du transport représentait 60 % des émissions mondiales de CO2 imputables aux produits pétroliers et à leurs utilisations en 2007, soit 6,6 Gt, dont l'essentiel (4,8 Gt) pour le seul secteur du transport routier. Les utilisations énergétiques des ressources renouvelables devraient connaître une croissance significative au cours de la prochaine décennie et au-delà, jusqu'à l'horizon 2050, dans un double contexte de demande énergétique en hausse et de raréfaction progressive des ressources énergétiques non renouvelables. Cette transition est d'autant plus pertinente que la demande alimentaire augmentera également en raison de la croissance démographique (la planète comptera plus de neuf milliards d'humains en 2050, soit près de trois milliards de plus par rapport à aujourd'hui), de la croissance économique et d'une urbanisation accrue. Ces évolutions se traduisent par une modification des consommations alimentaires, au détriment des produits végétaux (céréales, racines et tubercules) au profit des produits animaux, moins efficaces pour transformer l'énergie solaire en calories alimentaires.

Initialement, les biocarburants de première génération (1G) ont dominé le marché. Ils sont fabriqués à partir des organes de réserve des plantes également utilisés en alimentation humaine, y compris via l'alimentation animale. Parmi ces matières premières, on trouve les plantes sucrières (canne et betterave à sucre), les céréales (maïs, blé, etc.) et les oléagineuses (soja, colza, palme, etc.). En 2008, la production mondiale de biocarburants s'est élevée à 43 millions de tonnes d'équivalent pétrole (Mtep), soit un peu plus de 2 % des carburants utilisés dans le transport routier. Cette production a nécessité 320 millions de tonnes (Mt) de plantes sucrières (17 % de la production mondiale), 100 Mt de céréales (5 %) et 11 Mt d'huiles végétales (9 %). Elle a mobilisé 28 millions d'hectares (Mha), soit environ 3 % des surfaces mondiales en grandes cultures. Cependant, cette approche a suscité des interrogations légitimes concernant la concurrence avec la production alimentaire et son impact environnemental. En 2008/2009, l'augmentation de la demande mondiale de céréales pour la fabrication de bioéthanol a ainsi été plus élevée que celle de la demande à des fins alimentaires. Cette crainte malthusienne est doublée d'une critique sur le plan environnemental, au motif que le bilan des biocarburants 1G en termes de réduction des émissions de GES serait souvent négatif dès lors que les changements d'usage des terres sont pris en compte. Le bilan GES est moins favorable, voire devient négatif, si l'hectare de cultures sucrières, céréalières ou oléagineuses implique le retournement d'un hectare de prairies ou le déboisement d'un hectare de forêts. Cela est principalement lié à la perte de stockage de carbone par les prairies et les forêts. L'efficacité énergétique des biocarburants 1G par unité de surface utilisée est en outre modeste.

Face à ces défis, les biocarburants de deuxième génération (2G) offrent une perspective prometteuse. Ils se distinguent par l'utilisation de la ligno-cellulose, présente dans des résidus agricoles et forestiers, des déchets, ou des cultures dédiées. Cette approche permet non seulement d'élargir le champ des matières premières exploitables, mais aussi de réduire la pression sur les terres agricoles dédiées à l'alimentation. L'article vise à analyser dans quelle mesure, pour un tonnage total donné de biocarburants, la répartition entre biocarburants de première et de deuxième génération a un impact sur la sécurité alimentaire de la planète et sur les émissions de gaz à effet de serre, dès lors que le développement des bioénergies induit des changements d'usage des sols.

Les biocarburants de deuxième génération : une définition et des sources variées

Le terme « biocarburants de deuxième génération » est générique et désigne deux filières fondées sur la valorisation intégrale de la biomasse, mais faisant appel à des techniques bien distinctes. Alors que les biocarburants 1G sont obtenus à partir des organes de réserve de certaines plantes cultivées, ceux de la deuxième génération (2G) sont fabriqués à partir de la ligno-cellulose.

Trois sources principales de biomasse ligno-cellulosique peuvent être mobilisées pour la 2G :

• Des résidus ou des déchets d'origine agricole, sylvicole, industrielle, urbaine ou ménagère. L'utilisation de ces matières premières permet d'éviter la concurrence avec les cultures alimentaires.
• Des ressources forestières, c'est-à-dire le bois issu des forêts.
• Des cultures dédiées, qu'il s'agisse de plantes annuelles (utilisation « plante entière » du blé, du maïs, etc.) ou de plantes pérennes fourragères (fétuque, dactyle, ray-grass, etc.), herbacées (miscanthus ou « herbe à éléphant », switchgrass ou « panic érigé », etc.) et arbustives (taillis à courtes et très courtes rotations de peupliers, saules, eucalyptus ou robiniers récoltés tous les trois à dix ans).

Parmi les plantes herbacées riches en ligno-cellulose, le miscanthus et le switchgrass offrent de multiples avantages. Le Miscanthus géant, aussi appelé "herbe à éléphant", peut atteindre une hauteur de 4 mètres. Le Switchgrass, aussi appelé "Panic érigé", est originaire des grandes plaines de l'ouest de l'Amérique du Nord. Ces cultures dédiées ont de bons rendements à l'hectare, ne nécessitent pas d'intrants (engrais, produits phytosanitaires) et offrent un écosystème accueillant pour la faune locale. De plus, elles peuvent être cultivées sur des espaces non utilisables pour les cultures alimentaires, comme les taillis.

Processus de fabrication du bioéthanol de deuxième génération : de la ligno-cellulose au carburant

Le bioéthanol, qu'il soit de première ou de deuxième génération, est un produit rigoureusement identique : il est de l'alcool brut déshydraté que l'on incorpore dans l'essence sans plomb. Cependant, le principe de fabrication diffère. Le process de seconde génération repose sur la transformation de la cellulose et de l'hémicellulose contenues dans les matières végétales.

Deux voies de transformation de la biomasse ligno-cellulosique peuvent être utilisées :

• La voie thermochimique correspond à un craquage des molécules sous l'action de la chaleur. Ce procédé complexe, tel que la gazéification, permet de transformer de la biomasse en gaz (essentiellement de l'hydrogène et du monoxyde de carbone). La voie thermochimique nécessite des installations de grande taille et des investissements importants de façon à bénéficier des économies d'échelle.
• La voie biochimique ou enzymatique vise à produire du bioéthanol, destiné aux moteurs essence, par distillation de l'alcool issu de la fermentation des sucres contenus dans la cellulose des plantes. La biomasse (de type lignocellulosique) est transformée en sucre par des enzymes. La voie biochimique permet d'utiliser les infrastructures utilisées pour la première génération.

Dans la voie biochimique, deux étapes sont nécessaires pour traiter cette biomasse avant de pouvoir procéder à sa distillation :

1. Le prétraitement : Cette première étape consiste à fragmenter les composants de la plante pour désolidariser la cellulose et l'hémicellulose de leur enveloppe de lignine - composant non transformable qui donne sa résistance à la plante - afin de les rendre accessibles à la fermentation. La lignine est un composant qui donne sa résistance à la plante.
2. L'hydrolyse enzymatique et la fermentation : La cellulose et l'hémicellulose sont des glucides (ou sucres) complexes, c'est-à-dire constitués d'une longue chaîne de molécules. Afin de cisailler ces molécules complexes pour en faire des sucres simples accessibles à la fermentation, on utilise des enzymes, d'où le nom de voie « enzymatique » qui qualifie l'éthanol de seconde génération. Ces sucres sont ensuite fermentés par des levures afin d'obtenir un vin prêt à être distillé. Le sucre ainsi produit est ensuite transformé en éthanol par un procédé de fermentation. On obtient alors un éthanol dit de seconde génération.

Le Projet Futurol, par exemple, est un effort notable dans le développement de l'éthanol de seconde génération. En juin 2011, le projet est entré dans sa phase « Pilote ». Tout ce qui a été expérimenté avec succès au cours des trois précédentes années en laboratoire et de manière séparée, est désormais regroupé dans un process industriel intégré, mais en modèle réduit. Les avancées obtenues dans les domaines clés que sont les technologies de prétraitement, l'optimisation des enzymes ou encore la sélection des levures rendent optimistes pour la suite du Projet et son entrée en phase prototype. Le Projet se déroule en trois étapes conduisant à l'industrialisation du procédé : une phase d'études, recherche, développement et expérimentation (laboratoire), une phase de mise en situation du procédé dans un site pilote (spécialement construit dans le cadre du Projet Futurol), une phase de mise en œuvre dans une unité prototype (unité industrielle de taille réduite) permettant de simuler une production à échelle industrielle. Les multiples techniques et solutions explorées déboucheront sur l'élaboration d'un « livre de recettes » permettant de traiter chaque type de biomasse.

Avantages et défis des biocarburants de deuxième génération

Les biocarburants de deuxième génération offrent des avantages significatifs par rapport à leurs prédécesseurs, mais ils présentent également des défis à surmonter pour leur déploiement à grande échelle.

Avantages

• Réduction de la concurrence alimentaire : L'un des principaux arguments en faveur des biocarburants 2G est qu'ils utilisent des matières premières qui n'entrent pas en concurrence directe avec les cultures alimentaires. Dans le cas où la matière première utilisée pour fabriquer un biocarburant 2G est un résidu et/ou un déchet, la question de la concurrence avec une utilisation alimentaire ne se pose pas.
• Valorisation des déchets et résidus : La capacité à transformer des déchets agricoles, forestiers ou industriels en carburant est un atout majeur, contribuant à une économie plus circulaire et à une meilleure gestion des ressources.
• Potentiel de rendements élevés : Certaines cultures dédiées comme le miscanthus ou le switchgrass, présentent de bons rendements à l'hectare et peuvent être cultivées sur des terres marginales, moins aptes aux cultures alimentaires.
• Bénéfices environnementaux potentiels : Le développement des biocarburants de deuxième génération pourrait atténuer certains effets négatifs des biocarburants de première génération sur la sécurité alimentaire mondiale et les émissions de gaz à effet de serre. Par exemple, le remplacement des biocarburants 1G par ceux de la deuxième génération permettrait de réduire l'impact des biocarburants sur la sécurité alimentaire mondiale au sens où les surfaces en grandes cultures destinées aux autres usages que les biocarburants seraient supérieures à celles du scénario où la seule première génération est disponible. Le gain serait de 25 Mha au maximum dans un scénario 2G optimiste. L'impact sur l'alimentation humaine se traduirait concrètement en une disponibilité plus importante de céréales, d'huiles et de sucre.

Défis

• Complexité technologique : Les processus de conversion de la ligno-cellulose sont plus complexes que ceux des biocarburants 1G, nécessitant des technologies de prétraitement et des enzymes spécifiques.
• Coûts d'investissement : La voie thermochimique, en particulier, nécessite des installations de grande taille et des investissements importants pour bénéficier des économies d'échelle.
• Potentiel d'impact sur les sols : L'enlèvement des résidus agricoles et sylvicoles pour la production de biocarburants 2G peut avoir un impact potentiellement négatif sur les propriétés microbiologiques et physiques des sols.
• Concurrence sur les terres marginales : Bien que les cultures dédiées puissent être cultivées sur des terres marginales, la nécessité d'une rentabilité économique minimale exigera plus que vraisemblablement qu'une partie au moins de ces cultures dédiées soient implantées sur de bonnes terres permettant d'obtenir des rendements suffisants. Le potentiel de terres mobilisables à ce titre est mal connu.
• Généralisation des OGM : Comme pour d'autres productions agricoles intensives, la tentation de recourir aux OGM pour accroître la production menace l'équilibre environnemental.

Impact sur la sécurité alimentaire et l'environnement : Scénarios et perspectives

L'analyse de la concurrence entre usages alimentaires et non alimentaires des terres est cruciale pour évaluer l'impact des biocarburants de deuxième génération. Des études, comme celles de Dronne et al. (2009), ont permis d'apprécier les conséquences du développement des biocarburants à l'horizon 2020, et plus spécifiquement les effets liés au remplacement des biocarburants 1G par ceux de la deuxième génération.

En 2020, dans un scénario où les objectifs politiques d'incorporation affichés par les États (soit 175 Mt de biocarburants) seraient satisfaits uniquement par des biocarburants 1G, les surfaces en grandes cultures seraient égales à 960 Mha, dont 68 millions (7 %) seraient utilisés pour la production de biocarburants. Le développement des biocarburants entraînerait une forte baisse des surfaces en grandes cultures destinées à des usages autres que la production de biocarburants, notamment les usages alimentaires, celles-ci étant égales à 893 Mha en 2020, soit moins 46 Mha relativement à un scénario de référence sans développement des biocarburants.

Une substitution des biocarburants 1G par ceux de la deuxième génération, pour un tonnage total de biocarburants identique, permettrait de modérer l'impact sur la sécurité alimentaire mondiale. Le gain en termes de surfaces de grandes cultures destinées à l'alimentation serait de 25 Mha au maximum dans un scénario 2G optimiste, correspondant à 35 % de biocarburants 2G au niveau mondial et des rendements des cultures dédiées aux biocarburants 2G élevés (25 t MS/ha). Le gain serait limité à 10 Mha dans un scénario 2G avec pénétration des biocarburants 2G à hauteur de 30 % au niveau mondial et des rendements des cultures dédiées aux biocarburants 2G plus faibles (12 t MS/ha).

Toutefois, même dans la conjoncture la plus « favorable » considérée, les surfaces en grandes cultures consacrées en 2020 aux utilisations autres que les biocarburants (918 Mha) resteraient inférieures à celles observées à la même échéance dans le scénario de référence sans développement des biocarburants (939 Mha). En d'autres termes, le développement de la deuxième génération permettrait de modérer l'impact des biocarburants sur la sécurité alimentaire mondiale (ici définie en termes de surfaces de grandes cultures destinées à l'alimentation et de prix de ces grandes cultures) ; il le modèrerait, mais il ne l'annulerait pas.

La question de l'allocation des terres aux différents usages (alimentaire et non alimentaire, mais aussi récréatif, environnemental, urbain, etc.) reste donc centrale. Le développement des bioénergies dans un contexte où la demande alimentaire mondiale est en augmentation constante, avec une planète qui comptera plus de neuf milliards d'humains en 2050, exige une approche prudente et durable. Il est impératif que le développement des biocarburants s'inscrive dans une perspective de durabilité économique, sociale et environnementale, au minimum nettement plus durable que celle aujourd'hui à l'œuvre. Le rôle des biocarburants de deuxième génération est d'alléger la pression sur les terres agricoles, de réduire les émissions de GES et de contribuer à une diversification du mix énergétique, tout en minimisant les risques pour la sécurité alimentaire. La recherche et l'innovation continue sont essentielles pour optimiser les rendements des cultures dédiées, améliorer les processus de conversion et s'assurer que l'impact environnemental global reste positif.

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