L’éthanol cellulosique est de l’éthanol (alcool éthylique) produit à partir de cellulose (la fibre filante d’une plante) plutôt que de graines ou de fruits de la plante. C’est un biocarburant produit à partir d’herbes, de bois, d’algues ou d’autres plantes. Les parties fibreuses des plantes sont essentiellement non comestibles pour les animaux, y compris l’homme, à l’exception des ruminants (animaux à pâturage, animaux à mâcher comme les vaches ou les moutons).

L’éthanol cellulosique suscite un intérêt considérable en raison de son important potentiel économique. La croissance de la cellulose par les plantes est un mécanisme qui capte et emmagasine l’énergie solaire de manière chimique, de manière non toxique, avec des réserves résultantes faciles à transporter et à stocker. De plus, le transport peut être inutile de toute façon, car les herbes ou les arbres peuvent pousser presque partout dans les régions tempérées. C’est la raison pour laquelle l’éthanol cellulosique commercialement pratique est largement considéré comme un prochain niveau de développement pour l’industrie des biocarburants, qui pourrait réduire la demande de forage pétrolier et gazier et même d’énergie nucléaire de manière que le carburant à base d’éthanol ne peut à lui seul. Les nombreux avantages des carburants liquides et des produits pétrochimiques carbonés (dont dépend le niveau de vie actuel) sont potentiels, mais selon un cycle du carbone équilibré et renouvelable (recycler le carbone de surface et atmosphérique au lieu d’y injecter du carbone souterrain, ce qui l’ajoute) ). L’alcool cellulosique commercialement pratique pourrait également éviter l’un des problèmes des biocarburants classiques (à base de céréales) actuels, c’est-à-dire qu’ils mettent en concurrence des céréales à des fins alimentaires, ce qui pourrait faire grimper le prix des denrées alimentaires. À ce jour, ce qui fait obstacle à ces objectifs, c’est que la production d’alcool cellulosique n’est pas encore suffisamment pratique à une échelle commerciale.

Méthodes de production
Les deux manières de produire de l’éthanol à partir de cellulose sont:

Les procédés de cellulolyse qui consistent en une hydrolyse sur des matériaux lignocellulosiques prétraités, utilisant des enzymes pour décomposer la cellulose complexe en sucres simples tels que le glucose, suivis d’une fermentation et d’une distillation.
Gazéification qui transforme la matière première lignocellulosique en monoxyde de carbone gazeux et en hydrogène. Ces gaz peuvent être convertis en éthanol par fermentation ou par catalyse chimique.

Comme il est normal pour la production d’éthanol pur, ces méthodes incluent la distillation.

Cellulolyse (approche biologique)
Les étapes pour produire de l’éthanol en utilisant une approche biologique sont les suivantes:

Une phase de « prétraitement », pour rendre les matières lignocellulosiques telles que le bois ou la paille sensibles à l’hydrolyse
Hydrolyse de la cellulose (c’est-à-dire, cellulolyse) avec des cellulases, pour décomposer les molécules en sucres
Séparation de la solution de sucre des matières résiduelles, notamment de la lignine
Fermentation microbienne de la solution de sucre
Distillation pour produire de l’alcool pur à environ 95%
Déshydratation par tamis moléculaires pour amener la concentration en éthanol à plus de 99,5%

En 2010, une souche de levure génétiquement modifiée a été mise au point pour produire ses propres enzymes de digestion de la cellulose. En supposant que cette technologie puisse être mise à l’échelle industrielle, elle éliminerait une ou plusieurs étapes de la cellulolyse, ce qui réduirait à la fois le temps nécessaire et les coûts de production.

Bien que la lignocellulose soit la ressource végétale la plus abondante, son utilisation est limitée par sa structure rigide. En conséquence, un prétraitement efficace est nécessaire pour libérer la cellulose du joint à la lignine et de sa structure cristalline afin de la rendre accessible pour une étape ultérieure d’hydrolyse. De loin, la plupart des prétraitements sont effectués par des moyens physiques ou chimiques. Pour obtenir une efficacité supérieure, des prétraitements physiques et chimiques sont nécessaires. Le prétraitement physique est souvent appelé réduction de taille pour réduire la taille physique de la biomasse. Le prétraitement chimique consiste à éliminer les barrières chimiques afin que les enzymes puissent avoir accès à la cellulose pour les réactions microbiennes.

À ce jour, les techniques de prétraitement disponibles incluent l’hydrolyse acide, l’explosion de vapeur d’eau, la dilatation de fibres d’ammoniac, les organosolveurs, le prétraitement au sulfite, le fractionnement AVAP® (SO2-éthanol-eau), l’oxydation alcaline humide et le prétraitement à l’ozone. En plus d’une libération efficace de la cellulose, un prétraitement idéal doit minimiser la formation de produits de dégradation en raison de leurs effets inhibiteurs sur les processus d’hydrolyse et de fermentation ultérieurs. La présence d’inhibiteurs compliquera non seulement davantage la production d’éthanol, mais augmentera également le coût de production en raison des étapes de détoxification nécessaires. Bien que le prétraitement par hydrolyse acide soit probablement la technique de prétraitement la plus ancienne et la plus étudiée, elle produit plusieurs inhibiteurs puissants, notamment le furfural et l’hydroxyméthyl furfural (HMF), qui sont de loin considérés comme les inhibiteurs les plus toxiques présents dans l’hydrolysat lignocellulosique. L’expansion des fibres d’ammoniac (AFEX) est un prétraitement prometteur sans effet inhibiteur sur l’hydrolysat résultant.

La plupart des procédés de prétraitement ne sont pas efficaces lorsqu’ils sont appliqués à des matières premières à forte teneur en lignine, telles que la biomasse forestière. Les procédés Organosolv, SPORL («prétraitement au sulfite pour surmonter la récalcitrance de la lignocellulose») et le SO2-éthanol-eau (AVAP®) permettent de convertir plus de 90% de la cellulose pour la biomasse forestière, en particulier celle des essences résineuses. SPORL est le procédé le plus économe en énergie (production de sucre par unité de consommation d’énergie en prétraitement) et robuste pour le prétraitement de la biomasse forestière avec une très faible production d’inhibiteurs de fermentation. La mise en pâte d’Organosolv est particulièrement efficace pour les bois durs et permet de récupérer facilement un produit hydrophobe à base de lignine par dilution et précipitation. Le procédé AVAP® fractionne efficacement tous les types de lignocellulosiques en cellulose propre hautement digestible, en sucres d’hémicellulose non dégradés, en lignine et en lignosulfonates réactifs, et se caractérise par une récupération efficace des produits chimiques.

Il existe deux procédés principaux d’hydrolyse de la cellulose (cellulolyse): une réaction chimique utilisant des acides ou une réaction enzymatique utilisant des cellulases.

Processus cellulolytique
Les molécules de cellulose sont composées de longues chaînes de molécules de sucre. Lors de l’hydrolyse de la cellulose (c’est-à-dire de la cellulolyse), ces chaînes sont décomposées pour libérer le sucre avant sa fermentation pour la production d’alcool.

Hydrolyse chimique
Dans les méthodes traditionnelles développées au 19ème siècle et au début du 20ème siècle, l’hydrolyse est réalisée en attaquant la cellulose avec un acide. L’acide dilué peut être utilisé à haute température et à haute pression, ou un acide plus concentré peut être utilisé à des températures plus basses et à la pression atmosphérique. Un mélange cellulosique décristallisé d’acide et de sucres réagit en présence d’eau pour compléter les molécules de sucre individuelles (hydrolyse). Le produit de cette hydrolyse est ensuite neutralisé et la fermentation de levure est utilisée pour produire de l’éthanol. Comme mentionné précédemment, un obstacle important au procédé à l’acide dilué réside dans le fait que l’hydrolyse est si dure que des produits de dégradation toxiques, susceptibles de gêner la fermentation, sont produits. BlueFire Renewables utilise un acide concentré car il ne produit pas autant d’inhibiteurs de fermentation, mais doit être séparé du flux de sucre pour que le recyclage soit [procédé de séparation chromatographique en lit mobile simulé (SMB)] pour être attractif sur le plan commercial.

Les scientifiques du Service de recherche agricole ont découvert qu’ils pouvaient accéder à la quasi-totalité des sucres restants de la paille de blé et les fermenter. Les sucres sont situés dans les parois cellulaires de la plante, qui sont notoirement difficiles à décomposer. Pour accéder à ces sucres, les scientifiques ont prétraité la paille de blé avec du peroxyde alcalin, puis ont utilisé des enzymes spécialisées pour décomposer les parois cellulaires. Cette méthode produisait 350 litres d’éthanol par tonne de paille de blé.

Hydrolyse enzymatique
Les chaînes de cellulose peuvent être décomposées en molécules de glucose par les enzymes cellulases.

Cette réaction se produit à la température du corps dans l’estomac de ruminants tels que les bovins et les ovins, où les enzymes sont produites par des microbes. Ce processus utilise plusieurs enzymes à différentes étapes de cette conversion. En utilisant un système enzymatique similaire, les matériaux lignocellulosiques peuvent être hydrolysés enzymatiquement dans des conditions relativement douces (50 ° C et pH 5), permettant ainsi une décomposition efficace de la cellulose sans formation de sous-produits qui inhiberaient l’activité enzymatique. Toutes les principales méthodes de prétraitement, y compris l’acide dilué, nécessitent une étape d’hydrolyse enzymatique pour obtenir un rendement en sucre élevé pour la fermentation éthanolique. Actuellement, la plupart des études de prétraitement ont été effectuées en laboratoire, mais les entreprises étudient des moyens de passer du laboratoire au pilote ou à l’échelle de la production.

Diverses sociétés d’enzymes ont également contribué à des avancées technologiques significatives dans l’éthanol cellulosique par la production en masse d’enzymes pour l’hydrolyse à des prix compétitifs.

Le champignon Trichoderma reesei est utilisé par Iogen Corporation pour sécréter des « enzymes spécialement conçues » pour un processus d’hydrolyse enzymatique. Leur matière première (bois ou paille) doit être prétraitée pour pouvoir être hydrolysée.

Une autre société canadienne, SunOpta, utilise le prétraitement aux explosions à la vapeur et fournit sa technologie aux installations de Verenium (anciennement Celunol Corporation) situées à Jennings (Louisiane), aux installations d’Abengoa à Salamanque (Espagne) et à la société China Resources Alcohol Corporation de Zhaodong. Les installations de production de CRAC utilisent des tiges de maïs comme matière première.

Genencor et Novozymes ont reçu un financement du département de l’Énergie des États-Unis pour des travaux de recherche sur la réduction du coût des cellulases, enzymes clés de la production d’éthanol cellulosique par hydrolyse enzymatique. Une découverte récente à cet égard a été la découverte et l’inclusion de polysaccharides monooxygénases lytiques. Ces enzymes sont capables de renforcer de manière significative l’action d’autres cellulases en attaquant par oxydation un substrat de polysaccharide.

D’autres sociétés productrices d’enzymes, telles que Dyadic International, développent des champignons génétiquement modifiés capables de produire de grandes quantités d’enzymes cellulase, xylanase et hémicellulase, qui peuvent être utilisés pour convertir des résidus agricoles tels que les tiges de maïs, les grains de distillateur, la paille de blé et la bagasse de canne à sucre, ainsi que de l’énergie cultures telles que le panic raide en sucres fermentescibles qui peuvent être utilisés pour produire de l’éthanol cellulosique.

En 2010, BP Biofuels a racheté la participation de Verenium dans le capital-risque de la production d’éthanol cellulosique, elle-même issue de la fusion de Diversa et de Celunol, et avec laquelle elle détenait et exploitait conjointement une capacité de 5 300 m3 par an. l’usine de démonstration à Jennings, en Louisiane, et les installations de laboratoire et le personnel à San Diego, en Californie. BP Biofuels continue d’exploiter ces installations et a commencé les premières phases de construction d’installations commerciales. L’éthanol produit dans les installations de Jennings a été expédié à London et mélangé à de l’essence pour alimenter les Jeux olympiques en carburant.

KL Energy Corporation, anciennement KL Process Design Group, a démarré l’exploitation commerciale d’une installation de production d’éthanol cellulosique d’une capacité de 1,5 million gallons américains (5 700 m3) par an à Upton, WY, au cours du dernier trimestre 2007. Les installations de Western Biomass Energy rendements de 40 à 45 gallons américains (150 à 170 L) par tonne sèche. Il s’agit de la première usine commerciale d’éthanol cellulosique en exploitation dans le pays. Le procédé KL Energy utilise un processus de décomposition thermomécanique et de conversion enzymatique. La matière première de base est le bois tendre, mais des tests en laboratoire ont déjà prouvé le processus KL Energy sur les grignons de vin, la bagasse de canne à sucre, les déchets solides municipaux et le panic raide.

Fermentation microbienne
Traditionnellement, la levure de boulanger (Saccharomyces cerevisiae) est utilisée depuis longtemps dans l’industrie brassicole pour produire de l’éthanol à partir d’hexoses (sucres à six carbones). En raison de la nature complexe des glucides présents dans la biomasse lignocellulosique, une quantité importante de xylose et d’arabinose (sucres à cinq carbones dérivés de la partie hémicellulose de la lignocellulose) est également présente dans l’hydrolysat. Par exemple, dans l’hydrolysat de la tige de maïs, environ 30% du total des sucres fermentescibles sont du xylose. En conséquence, il est essentiel que les microorganismes en fermentation utilisent toute la gamme de sucres disponibles à partir de l’hydrolysat pour accroître la compétitivité économique de l’éthanol cellulosique et des protéines potentiellement biosourcées.

Ces dernières années, l’ingénierie métabolique des micro-organismes utilisés dans la production d’éthanol carburant a enregistré des progrès importants. Outre Saccharomyces cerevisiae, des micro-organismes tels que Zymomonas mobilis et Escherichia coli ont été ciblés par génie métabolique pour la production d’éthanol cellulosique.

Récemment, des levures artificielles ont été décrites comme fermentant efficacement le xylose et l’arabinose, et même les deux à la fois. Les cellules de levure sont particulièrement intéressantes pour les procédés à l’éthanol cellulosique car elles sont utilisées en biotechnologie depuis des centaines d’années, tolèrent des concentrations élevées d’éthanol et d’inhibiteurs et peuvent croître à des valeurs de pH basses pour réduire la contamination bactérienne.

Hydrolyse et fermentation combinées
Certaines espèces de bactéries se sont révélées capables de convertir directement un substrat de cellulose en éthanol. Clostridium thermocellum, par exemple, utilise un cellulosome complexe pour décomposer la cellulose et synthétiser de l’éthanol. Cependant, C. thermocellum produit également, outre de l’éthanol, d’autres produits au cours du métabolisme de la cellulose, notamment de l’acétate et du lactate, ce qui diminue l’efficacité du processus. Certains efforts de recherche sont axés sur l’optimisation de la production d’éthanol par génie génétique d’une bactérie axée sur la voie de production de l’éthanol.

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Procédé de gazéification (approche thermochimique)
Le processus de gazéification ne repose pas sur la décomposition chimique de la chaîne de la cellulose (cellulolyse). Au lieu de briser la cellulose en molécules de sucre, le carbone contenu dans la matière première est converti en gaz de synthèse, ce qui équivaut à une combustion partielle. Le monoxyde de carbone, le dioxyde de carbone et l’hydrogène peuvent ensuite être introduits dans un type spécial de fermenteur. Au lieu de la fermentation du sucre avec la levure, ce processus utilise la bactérie Clostridium ljungdahlii. Ce micro-organisme ingère du monoxyde de carbone, du dioxyde de carbone et de l’hydrogène et produit de l’éthanol et de l’eau. Le processus peut donc être divisé en trois étapes:

Gazéification – Les molécules complexes à base de carbone sont dissociées pour accéder au carbone sous forme de monoxyde, de dioxyde de carbone et d’hydrogène.
Fermentation – Convertissez le monoxyde de carbone, le dioxyde de carbone et l’hydrogène en éthanol à l’aide de l’organisme Clostridium ljungdahlii
Distillation – L’éthanol est séparé de l’eau

Une étude récente a révélé une autre bactérie Clostridium qui semble être deux fois plus efficace pour produire de l’éthanol à partir de monoxyde de carbone que celle mentionnée ci-dessus.

En variante, le gaz de synthèse issu de la gazéification peut être introduit dans un réacteur catalytique où il est utilisé pour produire de l’éthanol et d’autres alcools supérieurs par un processus thermochimique. Ce processus peut également générer d’autres types de carburants liquides, un concept alternatif démontré avec succès par l’entreprise basée à Montréal, Enerkem, située à Westbury, au Québec.

Hémicellulose en éthanol
Des études sont menées de manière intensive pour développer des méthodes économiques permettant de convertir à la fois la cellulose et l’hémicellulose en éthanol. La fermentation du glucose, le produit principal de l’hydrolysat de cellulose, en éthanol est une technique déjà établie et efficace. Cependant, la conversion du xylose, le sucre pentose de l’hydrolysat d’hémicellulose, est un facteur limitant, notamment en présence de glucose. En outre, il ne peut être ignoré, car l’hémicellulose augmentera l’efficacité et la rentabilité de la production d’éthanol cellulosique.

Sakamoto (2012) et al. montrer le potentiel des microbes du génie génétique pour l’expression des enzymes hémicellulases. Les chercheurs ont créé une souche de Saccharomyces cerevisiae recombinante capable de:

hydrolyser l’hémicellulase par le biais d’une endoxylanase à la surface de la cellule,
assimiler le xylose par expression de xylose réductase et de xylitol déshydrogénase.

La souche a pu convertir l’hydrolysat de paille de riz en éthanol, qui contient des composants hémicellulosiques. En outre, elle a été en mesure de produire 2,5 fois plus d’éthanol que la souche témoin, ce qui témoigne du processus extrêmement efficace de l’ingénierie de surface des cellules pour produire de l’éthanol.

Barrière enzymatique
Les cellulases et les hémicellulases utilisées dans la production d’éthanol cellulosique sont plus chères que leurs homologues de première génération. Les enzymes nécessaires à la production d’éthanol de grain de maïs coûtaient entre 2,64 et 5,28 dollars US par mètre cube d’éthanol produit. Les enzymes nécessaires à la production d’éthanol cellulosique devraient coûter 79,25 dollars, soit 20 à 40 fois plus cher. Les différences de coûts sont attribuées à la quantité requise. Les enzymes de la famille des cellulases ont une efficacité inférieure ou égale à un. Par conséquent, il faut 40 à 100 fois plus d’enzyme pour être présent dans sa production. De 15 à 25 kilogrammes d’enzyme sont nécessaires pour chaque tonne de biomasse. Les estimations les plus récentes sont plus basses, suggérant 1 kg d’enzyme par tonne sèche de matière première de biomasse. Les coûts d’investissement relativement élevés liés aux longues périodes d’incubation du navire effectuant l’hydrolyse enzymatique. Au total, les enzymes représentent une part importante de 20 à 40% de la production d’éthanol cellulosique. Un article récent estime la fourchette de 13 à 36% des coûts décaissés, le facteur déterminant étant le mode de production de l’enzyme cellulase. Pour la cellulase produite à l’extérieur, la production d’enzyme représente 36% du coût en espèces. Pour les enzymes produites sur place dans une usine séparée, la fraction est de 29%; pour la production d’enzymes intégrée, la faction est de 13%. L’un des principaux avantages de la production intégrée est que la biomasse au lieu du glucose constitue le milieu de croissance de l’enzyme. La biomasse coûte moins cher et fait de l’éthanol cellulosique obtenu un biocarburant de seconde génération à 100%, c’est-à-dire qu’elle n’utilise pas de «nourriture pour carburant».

Matières premières
En général, il existe deux types de matières premières: la biomasse forestière (ligneuse) et la biomasse agricole. Aux États-Unis, environ 1,4 milliard de tonnes sèches de biomasse peuvent être produites de manière durable par an. Environ 370 millions de tonnes ou 30% sont de la biomasse forestière. La biomasse forestière a une teneur plus élevée en cellulose et en lignine et une teneur en hémicellulose et en cendres inférieure à celle de la biomasse agricole. En raison des difficultés et du faible rendement en éthanol pour la fermentation de l’hydrolysat de prétraitement, en particulier ceux contenant des sucres d’hémicellulose à 5 carbones très élevés tels que le xylose, la biomasse forestière présente des avantages considérables par rapport à la biomasse agricole. La biomasse forestière a également une densité élevée, ce qui réduit considérablement les coûts de transport. Il peut être récolté toute l’année, ce qui élimine le stockage à long terme. La teneur quasi nulle en cendres de la biomasse forestière réduit considérablement la charge morte lors du transport et de la transformation. Pour répondre aux besoins en matière de biodiversité, la biomasse forestière constituera un important mélange de matières premières de biomasse dans la future économie biosourcée. Cependant, la biomasse forestière est beaucoup plus récalcitrante que la biomasse agricole. Le Laboratoire des produits forestiers de l’USDA, en collaboration avec l’Université du Wisconsin – Madison, a récemment mis au point des technologies efficaces permettant de surmonter la forte récalcitrance de la biomasse forestière (ligneuse), y compris celles d’essences de bois résineux à faible teneur en xylane. La culture intensive ou l’arboriculture intensive en courtes rotations peut offrir une possibilité presque illimitée de production de biomasse forestière.

Les copeaux de bois provenant d’abattages et de cimes d’arbres et de sciure de bois provenant de scieries, ainsi que les déchets de pâte à papier, sont des matières de base de la biomasse forestière pour la production d’éthanol cellulosique.

Voici quelques exemples de biomasse agricole:

Le panic raide (Panicum virgatum) est une graminée indigène d’herbes hautes. Reconnue pour sa robustesse et sa croissance rapide, cette plante vivace se développe pendant les mois chauds jusqu’à une hauteur de 2 à 6 pieds. Le panic érigé peut être cultivé dans la plupart des régions des États-Unis, y compris les marécages, les plaines, les ruisseaux et le long des rives et des autoroutes. Il est auto-ensemenceur (pas de tracteur à ensemencer, mais seulement pour tondre), résistant à de nombreuses maladies et ravageurs, et peut produire des rendements élevés avec de faibles applications d’engrais et autres produits chimiques. Il est également tolérant aux sols pauvres, aux inondations et à la sécheresse; améliore la qualité du sol et empêche l’érosion en raison de son type de système racinaire.

Le panic érigé est une culture de couverture approuvée pour les terres protégées dans le cadre du Programme fédéral de réserves de conservation (PRC). Le CRP est un programme gouvernemental qui verse aux producteurs des frais pour ne pas cultiver leurs terres sur des terres où elles ont récemment poussé. Ce programme réduit l’érosion des sols, améliore la qualité de l’eau et augmente l’habitat de la faune. Les terres de CRP servent d’habitat au gibier des hautes terres, comme les faisans et les canards, et à un certain nombre d’insectes. Le panic érigé pour la production de biocarburants a été envisagé pour être utilisé sur les terres du Programme de réserves de conservation (CRP), ce qui pourrait accroître la durabilité écologique et réduire le coût du programme de CRP. Toutefois, les règles de la CRP devraient être modifiées pour permettre cette utilisation économique des terres de la CRP.

Miscanthus × giganteus est une autre matière première viable pour la production d’éthanol cellulosique. Cette espèce d’herbe est originaire d’Asie et est l’hybride triploïde stérile de Miscanthus sinensis et Miscanthus sacchariflorus. Il peut atteindre une hauteur de 3,7 m (12 pieds) avec peu d’eau ou d’engrais. Le miscanthus est similaire au panic raide en ce qui concerne la tolérance au froid et à la sécheresse et l’efficacité d’utilisation de l’eau. Le miscanthus est cultivé commercialement dans l’Union européenne en tant que source d’énergie combustible.

Les épis de maïs et les tiges de maïs constituent la biomasse agricole la plus populaire.

Il a été suggéré que le Kudzu pourrait devenir une source précieuse de biomasse.

Effets sur l’environnement
L’impact environnemental de la production de combustibles est un facteur important pour déterminer sa faisabilité comme alternative aux combustibles fossiles. À long terme, de petites différences dans les coûts de production, les ramifications environnementales et la production d’énergie peuvent avoir des effets importants. Il a été constaté que l’éthanol cellulosique peut produire une production nette d’énergie positive. La réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES) provenant de l’éthanol de maïs et de l’éthanol cellulosique par rapport aux combustibles fossiles est radicale. L’éthanol de maïs peut réduire les émissions globales de GES d’environ 13%, tandis que ce chiffre est d’environ 88% ou plus pour l’éthanol cellulosique. De plus, l’éthanol cellulosique peut réduire les émissions de dioxyde de carbone presque à zéro.

Terres cultivées
Une des principales préoccupations pour la viabilité des carburants de remplacement actuels est la superficie de terres cultivées nécessaire à la production des matériaux requis. Par exemple, la production de maïs pour l’éthanol-carburant de maïs entre en concurrence avec les terres cultivées pouvant servir à la croissance de la nourriture et à d’autres matières premières. La différence entre cela et la production d’éthanol cellulosique réside dans le fait que les matériaux cellulosiques sont largement disponibles et proviennent d’une grande ressource. Certaines cultures utilisées pour la production d’éthanol cellulosique comprennent le panic raide, les tiges de maïs et le peuplier hybride. Ces cultures ont une croissance rapide et peuvent être cultivées sur de nombreux types de terres, ce qui les rend plus polyvalentes. L’éthanol cellulosique peut également être fabriqué à partir de résidus de bois (copeaux et sciure de bois), de déchets solides urbains tels que déchets ou ordures, papier et boues d’épuration, pailles de céréales et herbes. Ce sont en particulier les parties non comestibles de matière végétale qui sont utilisées pour produire de l’éthanol cellulosique, ce qui minimise également le coût potentiel d’utilisation des produits alimentaires dans la production.

L’efficacité des cultures en croissance à des fins de biomasse peut varier considérablement en fonction de l’emplacement géographique de la parcelle. Par exemple, des facteurs tels que les précipitations et l’exposition au soleil peuvent affecter considérablement l’apport d’énergie nécessaire au maintien des cultures et, par conséquent, la production totale d’énergie. Une étude réalisée sur cinq ans a montré que la culture et la gestion du panic raide exclusivement en tant que culture à base de biomasse peuvent produire au moins 500% d’énergie renouvelable par rapport à la consommation. Les niveaux d’émissions de GES et de dioxyde de carbone ont également été considérablement réduits par l’utilisation d’éthanol cellulosique par rapport à l’essence traditionnelle.

À base de maïs vs à base d’herbe
En 2008, il n’y avait qu’une petite quantité de panic raide dédié à la production d’éthanol. Pour qu’elle soit cultivée à grande échelle, elle doit concurrencer les utilisations existantes des terres agricoles, principalement pour la production de produits agricoles. Les États-Unis ont des terres non submergées sur une superficie totale de 9,1 millions de km2, dont 33% sont des terres forestières, 26% des pâturages et des prairies et 20% des terres cultivées. Une étude réalisée en 2005 par les ministères de l’Énergie et de l’Agriculture des États-Unis a permis de déterminer si les ressources en terres disponibles étaient suffisantes pour soutenir la production de plus d’un milliard de tonnes sèches de biomasse par an pour remplacer 30% ou plus de l’utilisation actuelle de carburants de transport liquides dans le pays. L’étude a révélé qu’il pourrait y avoir 1,3 milliard de tonnes sèches de biomasse disponible pour l’utilisation d’éthanol, en apportant peu de changements aux pratiques agricoles et forestières et en répondant à la demande de produits forestiers, d’aliments et de fibres. Une étude récente réalisée par l’Université du Tennessee a révélé que jusqu’à 100 millions d’acres (400 000 km2) de terres cultivées et de pâturages devront être alloués à la production de panic raide pour compenser l’utilisation de pétrole de 25%.

Actuellement, la transformation du maïs en éthanol est plus facile et moins coûteuse que l’éthanol cellulosique. Le ministère de l’Énergie estime que produire de l’éthanol cellulosique coûte environ 2,20 dollars le gallon, soit le double de l’éthanol issu du maïs. Les enzymes qui détruisent le tissu de la paroi cellulaire des plantes coûtent de 30 à 50 cents le gallon d’éthanol, contre 3 cents le gallon pour le maïs. Le ministère de l’Énergie espère réduire les coûts de production à 1,07 dollar par gallon d’ici 2012 pour être efficace. Cependant, la biomasse cellulosique est moins chère à produire que le maïs, car elle nécessite moins d’intrants, tels que de l’énergie, des engrais, des herbicides, et s’accompagne d’une érosion moindre du sol et d’une fertilité améliorée. De plus, les solides non fermentables et non convertis laissés après la fabrication de l’éthanol peuvent être brûlés pour fournir le carburant nécessaire au fonctionnement de l’usine de conversion et à la production d’électricité. L’énergie utilisée pour exploiter les usines d’éthanol à base de maïs provient du charbon et du gaz naturel. L’Institute for Local Self-Reliance estime que le coût de l’éthanol cellulosique provenant de la première génération d’usines commerciales sera compris entre 1,90 et 2,25 dollars par gallon, hors incitatifs. Cela se compare au coût actuel de 1,20 à 1,50 USD le gallon pour l’éthanol de maïs et au prix de détail actuel de plus de 4,00 USD le gallon pour l’essence ordinaire (subventionnée et taxée).

L’une des principales raisons de l’utilisation accrue des biocarburants est la réduction des émissions de gaz à effet de serre. Par rapport à l’essence, l’éthanol brûle plus propre, réduisant ainsi la quantité de dioxyde de carbone et de pollution dans l’air. De plus, la combustion ne produit que de faibles niveaux de smog. Selon le Département de l’énergie des États-Unis, l’éthanol issu de la cellulose réduit les émissions de gaz à effet de serre de 86% par rapport à l’essence et à l’éthanol à base de maïs, ce qui diminue les émissions de 52%. Il a été démontré que les émissions de dioxyde de carbone étaient inférieures de 85% à celles de l’essence. L’éthanol cellulosique contribue peu à l’effet de serre et présente un bilan énergétique net cinq fois supérieur à celui de l’éthanol à base de maïs. Lorsqu’il est utilisé comme carburant, l’éthanol cellulosique dégage moins de soufre, de monoxyde de carbone, de particules et de gaz à effet de serre. L’éthanol cellulosique devrait rapporter aux producteurs des crédits de réduction de carbone, plus élevés que ceux accordés aux producteurs qui cultivent du maïs pour produire de l’éthanol, qui représente environ 3 à 20 cents le gallon.

Il faut 0,76 J d’énergie provenant de combustibles fossiles pour produire 1 J d’éthanol à partir de maïs. Ce total inclut l’utilisation de combustibles fossiles utilisés pour les engrais, les tracteurs, les usines d’éthanol, etc. Des recherches ont montré que les combustibles fossiles peuvent produire plus de cinq fois le volume d’éthanol à partir d’herbes des prairies, selon Terry Riley, président de Policy at the Partenariat pour la conservation Theodore Roosevelt. Le département de l’Énergie des États-Unis conclut que l’éthanol à base de maïs fournit 26% d’énergie en plus qu’il n’en nécessite pour la production, tandis que l’éthanol cellulosique fournit 80% de plus d’énergie. L’éthanol cellulosique produit 80% plus d’énergie que ce qui est nécessaire pour le cultiver et le convertir. Le processus de transformation du maïs en éthanol nécessite environ 1 700 fois (en volume) autant d’eau que l’éthanol produit. [Douteux – discuter] De plus, il laisse 12 fois son volume en déchets. L’éthanol à base de grain n’utilise que la partie comestible de la plante.

La cellulose n’est pas utilisée pour l’alimentation et peut être cultivée partout dans le monde. Toute l’usine peut être utilisée lors de la production d’éthanol cellulosique. Le panic raide produit deux fois plus d’éthanol par acre que le maïs. Par conséquent, moins de terres sont nécessaires à la production et donc moins de fragmentation de l’habitat. Les matériaux issus de la biomasse nécessitent moins d’intrants, tels que des engrais, des herbicides et d’autres produits chimiques pouvant présenter des risques pour la faune. Leurs racines étendues améliorent la qualité du sol, réduisent l’érosion et augmentent la capture d’éléments nutritifs. Les plantes énergétiques herbacées réduisent l’érosion des sols de plus de 90% par rapport à la production conventionnelle. Cela peut se traduire par une amélioration de la qualité de l’eau pour les communautés rurales. De plus, les plantes énergétiques herbacées ajoutent de la matière organique aux sols épuisés et peuvent augmenter le carbone du sol, ce qui peut avoir un effet direct sur le changement climatique, le carbone du sol pouvant absorber le dioxyde de carbone de l’air. Par rapport à la production de cultures de base, la biomasse réduit le ruissellement de surface et le transport d’azote. Le panic raide fournit un environnement propice à la diversité de l’habitat faunique, principalement des insectes et des oiseaux de sol. Les terres du Programme de réserves de conservation (CRP) sont composées de graminées vivaces, utilisées pour la fabrication d’éthanol cellulosique, et peuvent être disponibles.

Pendant des années, les agriculteurs américains ont pratiqué la culture en ligne, notamment le sorgho et le maïs. Pour cette raison, on en sait beaucoup sur l’effet de ces pratiques sur la faune. L’augmentation de l’éthanol de maïs aurait pour effet le plus important d’accroître la superficie des terres à convertir en terres agricoles, ainsi que de l’érosion accrue et de l’utilisation d’engrais associée à la production agricole. L’augmentation de notre production d’éthanol grâce à l’utilisation de maïs pourrait avoir des effets négatifs sur la faune, dont l’ampleur dépendra de l’ampleur de la production et du fait que les terres utilisées pour cette production accrue étaient autrefois inactives, à l’état naturel ou plantées avec d’autres rangs. cultures. Une autre considération est de savoir s’il faut planter une monoculture de panic raide ou utiliser une variété d’herbes et d’autres types de végétation. Alors qu’un mélange de types de végétation fournirait probablement un meilleur habitat pour la faune, la technologie n’a pas encore été développée pour permettre la transformation d’un mélange de différentes espèces de graminées ou de types de végétation en bioéthanol. Bien sûr, la production d’éthanol cellulosique en est encore à ses balbutiements, et la possibilité d’utiliser divers peuplements végétaux au lieu de monocultures mérite d’être explorée plus en profondeur à mesure que les recherches se poursuivent.

Une étude de Paul Crutzen, lauréat du prix Nobel, a révélé que l’éthanol produit à partir de maïs avait un effet de « réchauffement climatique net » par rapport au pétrole lorsque l’évaluation du cycle de vie complet tenait dûment compte des émissions d’oxyde nitreux (N20) lors de la production d’éthanol de maïs. Crutzen a constaté que les cultures moins demandeuses en azote, telles que les graminées et les taillis ligneux, avaient des effets plus favorables sur le climat.

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