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Le prix des biocarburants
L'exubérance irrationnelle pour l'éthanol qui a balayé la ceinture de maïs américaine au cours des dernières années a cédé la place à une morne gueule de bois, en particulier chez ceux qui ont lourdement investi dans les installations de production tentaculaires qui parsèment désormais le paysage rural. C'est la version Midwest de la bulle technologique, et à certains égards, elle est remarquablement familière : les investisseurs trop enthousiastes, épris du potentiel apparemment illimité d'une technologie, ignorent ce qui, au moins rétrospectivement, sont des réalités économiques évidentes.
Plus d'une centaine d'usines de biocarburants, regroupées en grande partie dans les États producteurs de maïs de l'Iowa, du Minnesota, de l'Illinois, de l'Indiana, du Dakota du Sud et du Nebraska, produiront 6,4 milliards de gallons d'éthanol cette année, et 74 autres installations sont en construction. Il y a à peine 18 mois, ils étaient des vaches à lait, produisant de l'éthanol à prix élevé à partir de maïs à bas prix, suscitant l'espoir d'indépendance énergétique parmi les politiciens et capturant l'attention – et l'argent – des investisseurs en capital-risque des côtes est et ouest.
Aujourd'hui, les producteurs d'éthanol sont en difficulté et beaucoup perdent de l'argent. Le prix du boisseau de maïs a atteint des sommets records au cours de l'année, dépassant 4,00 $ l'hiver dernier avant de retomber à environ 3,50 $ en été, puis de rebondir cet automne à près de 4,00 $ à nouveau. Dans le même temps, les prix de l'éthanol ont chuté alors que le marché du carburant alternatif, qui est encore principalement utilisé comme additif à l'essence, est devenu saturé. Face à ces deux tendances, les marges bénéficiaires se sont évanouies.
Le marasme du marché de l'éthanol reflète le cycle prévisible d'expansion et de ralentissement de tout produit : des prix élevés entraînent une augmentation de la production, et bientôt le marché est excédentaire, provoquant une chute des prix. Mais l'utilisation à grande échelle d'éthanol dérivé du maïs comme carburant de transport a ses propres problèmes économiques. Même si le pétrole brut est à des prix presque record et que les entreprises qui utilisent de l'éthanol dans leur essence reçoivent un crédit d'impôt fédéral de 51 cents le gallon, l'éthanol a du mal à être concurrentielle sur le plan économique. Et avec une infrastructure limitée en place pour distribuer et vendre le biocarburant, la demande restera incertaine dans un avenir prévisible.
Pour plus d'informations, lisez Examen de la technologie le rapport spécial sur les biocarburants .
Plus alarmant, le boom de la production d'éthanol fait grimper le prix des denrées alimentaires. Sur les 93 millions d'acres record de maïs plantés aux États-Unis en 2007, environ 20 pour cent sont allés à l'éthanol. Comme la majeure partie du reste est utilisée pour nourrir les animaux, les prix du bœuf, du lait, de la volaille et du porc sont tous affectés par l'augmentation du coût du maïs. L'Organisation internationale de coopération et de développement économiques (OCDE) a récemment averti que la croissance rapide de l'industrie des biocarburants pourrait entraîner des changements fondamentaux sur les marchés agricoles du monde entier et pourrait même provoquer des pénuries alimentaires.
Tout cela arrive à un moment où le besoin d'alternatives aux carburants de transport à base de pétrole devient urgent. Au moment de mettre sous presse, le prix du pétrole brut était proche de 90 $ le baril. Et les inquiétudes concernant l'impact des émissions de gaz à effet de serre des quelque 142 milliards de gallons d'essence utilisés chaque année aux États-Unis s'intensifient. L'utilisation accrue des biocarburants est au cœur de la stratégie énergétique à long terme du gouvernement fédéral. Dans son discours sur l'état de l'Union du 23 janvier 2007, le président Bush a fixé l'objectif de produire 35 milliards de gallons de carburants renouvelables et alternatifs d'ici 2017, invoquant la nécessité d'être indépendant du pétrole étranger. Le département américain de l'Énergie s'est fixé l'objectif similaire de remplacer 30 % de l'utilisation d'essence par l'utilisation de biocarburants d'ici 2030.
Multimédia
Boum ou buste ? (PDF : Tableaux et graphiques de l'économie des biocarburants)
Voir des images de grains riches en protéines et de la production d'hydrocarbures.
Des chercheurs de l'Université du Minnesota explorent l'avenir des biocarburants.
C. Ford Runge explique les problèmes de l'éthanol de maïs.
Le capital-risqueur Vinod Khosla détaille le potentiel de marché des énergies alternatives.
Atteindre les deux cibles, cependant, nécessitera des percées technologiques importantes. Aux États-Unis, pour l'instant, l'éthanol signifie la version dérivée du maïs. (Les producteurs brésiliens devaient produire 4,97 milliards de gallons d'éthanol en 2007, principalement à partir de canne à sucre, mais cette culture semi-tropicale n'est viable sur le plan agricole que dans quelques régions des États-Unis.) Même les partisans de l'éthanol de maïs disent que ses niveaux de production ne peuvent pas aller beaucoup plus loin. supérieur à environ 15 milliards de gallons par an, ce qui est loin de l'objectif de Bush.
Alors que le président Bush et d'autres défenseurs des biocarburants ont souvent demandé que l'éthanol soit fabriqué à partir de matières premières alternatives telles que le panic raide - une plante originaire des États des Prairies américaines, où il pousse largement - la technologie requise est, selon la plupart des estimations, au moins quatre à cinq ans à compter de la viabilité commerciale. Pendant ce temps, des techniques biologiques avancées pour créer de nouveaux organismes qui produisent d'autres biocarburants, tels que des hydrocarbures, sont toujours en laboratoire. Jusqu'à présent, les chercheurs fabriquent des quantités qui ne rempliraient même pas le réservoir d'un gros SUV.
Les difficultés économiques et les limites du marché de l'éthanol de maïs sont un rappel douloureux des immenses difficultés auxquelles sont confrontés les développeurs de nouveaux biocarburants. En fin de compte, vous allez devoir rendre le carburant bon marché, explique Frances Arnold, professeur de génie chimique et de biochimie à Caltech. Nous pouvons tous faire un petit quelque chose. Mais vous devez en faire beaucoup, et vous devez le faire à moindre coût. Le problème est si énorme que votre technologie doit évoluer et le faire à un prix compétitif. Tout le monde sera en concurrence uniquement sur le prix.
Brûlure du maïs
Il n'y a peut-être pas de meilleur endroit pour obtenir une évaluation réaliste des biocarburants que le Département d'économie appliquée de l'Université du Minnesota. Le grand campus abritant le département et le reste de l'école d'agriculture de l'université se trouve sur une colline basse dans un quartier calme de St. Paul. Des hectares de champs où sont menées des expériences s'étendent depuis la périphérie de l'université. A proximité se trouvent les terrains de la Minnesota State Fair, un événement de 12 jours qui attire plus d'un million et demi de visiteurs à la fin de l'été.
L'État est le quatrième producteur de maïs aux États-Unis, et une grande partie de son économie, même sa culture, est intimement liée à la récolte. La flambée des prix du maïs a été une aubaine pour les communautés agricoles rurales du Minnesota. Et le gouverneur et d'autres politiciens de l'État ont fortement encouragé l'utilisation de l'éthanol comme carburant de transport. Pourtant, vous ne trouverez pas beaucoup de pom-pom girls pour l'éthanol de maïs dans le bâtiment en briques simples qui abrite le département.
Dans son bureau ordonné avec ses piles soignées de documents techniques et de rapports agricoles, Vernon Eidman, professeur émérite d'économie agricole, combine l'autorité d'un universitaire avec la sévérité d'un banquier du Midwest. Nous pourrions voir cela venir, dit-il, décrivant la situation critique actuelle des producteurs d'éthanol sur le marché. Ce n'est pas comme [les producteurs] ne savaient pas que ça allait arriver. Au moins, ils auraient dû le savoir. En 2006, ils ont réalisé des bénéfices comme jamais auparavant, dit Eidman. Et c’est un facteur majeur qui a conduit à cette formidable accumulation.
Les chiffres parlent d'eux-mêmes. Les calculs d'Eidman montrent ce qu'il en coûte, compte tenu des prix variables du maïs, pour une nouvelle installation de taille moyenne pour produire de l'éthanol. À 4,00 $ le boisseau de maïs, la production d'éthanol coûte 1,70 $ le gallon ; pour obtenir un retour sur capitaux propres de 12 %, les producteurs doivent vendre de l'éthanol à 1,83 $ le gallon. Ensuite, Eidman montre ses chiffres sur les prix que les compagnies pétrolières paient lorsqu'elles achètent de l'éthanol à mélanger avec leur essence : en décembre, les prix étaient d'environ 1,90 $ le gallon, et les offres pour 2008 varient entre 1,75 $ et 1,80 $ le gallon. Autrement dit, les marges bénéficiaires des producteurs d'éthanol sont extrêmement serrées. Pour aggraver les choses, dit Eidman, la capacité de production, qui était d'environ 5,4 milliards de gallons au début de 2007, devrait atteindre 12,5 milliards de gallons d'ici 2010.
Alors que l'augmentation de la production d'éthanol a suscité des inquiétudes quant à une offre excédentaire, l'autre côté de l'équation du marché est en fait une cause de plus grande inquiétude : la demande future de carburant à l'éthanol n'est en aucun cas certaine. Dans quelques régions du pays, en particulier dans les États de la ceinture de maïs, les conducteurs peuvent acheter du carburant contenant 85 % d'éthanol. Mais pour la plupart, les compagnies pétrolières utilisent de l'éthanol à une concentration de 10 pour cent, pour augmenter la teneur en oxygène de leur essence. Non seulement un tel marché est limité, mais le mélange à 10 % d'éthanol offre une consommation d'essence légèrement réduite, ce qui pourrait freiner l'appétit des consommateurs pour le carburant.
Il n'y a pas que l'économie à court terme de l'éthanol qui préoccupe les experts agricoles. Ils avertissent également que l'éthanol dérivé du maïs n'est pas le carburant vert que ses défenseurs ont décrit. C'est parce que la fabrication d'éthanol demande beaucoup d'énergie, à la fois pour faire pousser le maïs et, plus important encore, pour faire fonctionner les installations de fermentation qui transforment le sucre glané des grains de maïs en alcool qui est utilisé comme carburant. La quantité exacte d'énergie nécessaire a fait l'objet d'intenses débats universitaires dans diverses revues au cours des dernières années.
Selon les calculs effectués par des chercheurs du Minnesota, 54 % de l'énergie totale représentée par un gallon d'éthanol est compensée par l'énergie requise pour traiter le carburant ; un autre 24 pour cent est compensé par l'énergie nécessaire pour faire pousser le maïs. Alors qu'environ 25 % d'énergie en plus est extraite du biocarburant que ce qui est utilisé pour le produire, d'autres carburants génèrent des gains beaucoup plus importants, explique Stephen Polasky, professeur d'économie écologique et environnementale au Minnesota. Faire de l'éthanol n'est pas un processus bon marché, dit-il. De mon point de vue, le plus gros problème [avec l'éthanol de maïs] n'est que l'aspect économique et les coûts. L'entrée/sortie d'énergie n'est pas très bonne.
Les besoins énergétiques élevés de la production d'éthanol signifient que l'utilisation de l'éthanol comme carburant n'est pas tellement meilleure pour l'environnement que l'utilisation de l'essence. On pourrait penser que brûler le biocarburant ne libérerait que le dioxyde de carbone que le maïs capte en poussant. Mais cette image simplifiée, qui a souvent été évoquée pour soutenir l'utilisation de carburant à l'éthanol, ne résiste pas à un examen plus approfondi.
En fait, dit Polasky, les combustibles fossiles nécessaires pour cultiver et récolter le maïs et produire de l'éthanol sont responsables d'importantes émissions de carbone. Non seulement cela, mais la culture du maïs produit également deux autres puissants gaz à effet de serre : l'oxyde nitreux et le méthane. Polasky calcule que l'éthanol dérivé du maïs est responsable d'émissions de gaz à effet de serre environ 15 à 20 % inférieures à celles associées à l'essence : l'essentiel est que vous obtenez une légère économie en termes d'émissions de gaz à effet de serre, mais pas beaucoup.
Si l'éthanol issu du maïs a eu peu d'impact sur les marchés de l'énergie et les émissions de gaz à effet de serre, sa production pourrait cependant avoir des répercussions sur l'ensemble des marchés agricoles. Non seulement les prix du maïs augmentent, mais les prix du soja aussi, car les agriculteurs ont planté moins de soja pour faire de la place au maïs.
Dans le numéro de mai/juin 2007 de Affaires étrangères , C. Ford Runge, professeur d'économie appliquée et de droit au Minnesota, a co-écrit un article intitulé Comment les biocarburants pourraient affamer les pauvres, qui soutenait que l'énorme volume de maïs requis par l'industrie de l'éthanol envoie des ondes de choc dans le système alimentaire. Six mois plus tard, assis dans un grand bureau d'où il dirige le Center for International Food and Agricultural Policy de l'université, Runge semble abasourdi par les critiques que son article a reçues de la part des politiciens locaux et de ceux du secteur de l'éthanol. Mais il est inébranlable dans son argumentation : il est clair que les prix du lait, les prix du pain, augmentent tous à trois fois le taux d'augmentation moyen des 10 dernières années. C'est appréciable, et ça commence à être apprécié.
Le récent rapport de l'OCDE, publié début septembre, n'est que la dernière confirmation de ses avertissements, dit Runge. Et parce qu'un pourcentage plus important de leurs revenus va à la nourriture, dit-il, cela va vraiment frapper les pauvres. Étant donné que les États-Unis exportent environ 20 pour cent de leur maïs, les pauvres du reste du monde sont particulièrement menacés. Runge cite le doublement du prix des tortillas au Mexique il y a un an.
Tous ces facteurs militent contre la promesse de l'éthanol de maïs comme solution au problème énergétique. Mon point de vue, dit Polasky, est que [l'éthanol] ne jouera qu'un rôle mineur en termes d'approvisionnement énergétique. Il calcule que même si tout le maïs planté aux États-Unis était utilisé pour l'éthanol, le biocarburant ne remplacerait toujours que 12 pour cent de la consommation d'essence. Si je fais cela pour la politique énergétique, je n'en vois pas le retour, dit-il. Si nous faisons cela en tant que politique de soutien agricole, il y aura peut-être plus de mérite là-dedans. Mais nous allons devoir passer à la prochaine génération de technologie pour avoir un impact significatif sur les marchés de l'énergie.
Superbugs
Depuis la crise pétrolière des années 1970, lorsque le prix du baril de pétrole a culminé, les ingénieurs chimistes et biologiques ont recherché des moyens de transformer les vastes réserves de matière cellulosique du pays telles que le bois, les résidus agricoles et les herbes vivaces en éthanol et autres biocarburants. . L'année dernière, citant un autre objectif du président Bush – réduire la consommation d'essence des États-Unis de 20 % en 10 ans – le département américain de l'Énergie (DOE) a annoncé un financement pouvant atteindre 385 millions de dollars pour six projets de bioraffinerie qui utiliseront diverses technologies pour produire de l'éthanol à partir de la biomasse. allant des copeaux de bois au panic raide.
Selon un rapport de 2005 du DOE et du département américain de l'Agriculture, le pays dispose de suffisamment de terres forestières et agricoles pour produire 1,3 milliard de tonnes de biomasse qui pourraient être utilisées pour les biocarburants. En plus de fournir une vaste offre de matières premières bon marché, la biomasse cellulosique pourrait augmenter considérablement les avantages énergétiques et environnementaux des biocarburants. Il faut beaucoup moins d'énergie pour faire pousser des matières cellulosiques que pour faire pousser du maïs, et des parties de la biomasse peuvent être utilisées pour alimenter le processus de production. (L'éthanol à base de canne à sucre produit au Brésil offre également des améliorations par rapport à l'éthanol à base de maïs, grâce aux rendements élevés de la culture et à sa teneur élevée en sucre.)
Mais malgré des années de recherche et des investissements récents dans l'intensification des processus de production, aucune installation commerciale ne fabrique encore d'éthanol cellulosique. L'explication économique est simple : construire une telle installation coûte beaucoup trop cher. La cellulose, un polysaccharide à longue chaîne qui constitue une grande partie de la masse des plantes ligneuses et des résidus de récolte tels que les tiges de maïs, est difficile – et donc coûteuse – à décomposer.
Plusieurs technologies de production d'éthanol cellulosique existent. La cellulose peut être chauffée à haute pression en présence d'oxygène pour former un gaz de synthèse, un mélange de monoxyde de carbone et d'hydrogène qui est facilement transformé en éthanol et autres carburants. Alternativement, les enzymes industrielles peuvent décomposer la cellulose en sucres. Les sucres alimentent ensuite des réacteurs de fermentation dans lesquels des microorganismes produisent de l'éthanol. Mais tous ces procédés sont encore beaucoup trop coûteux pour être utilisés commercialement.
Même les partisans de l'éthanol cellulosique évaluent les coûts d'investissement de la construction d'une usine de fabrication à plus de deux fois ceux d'une usine à base de maïs, et d'autres estimations vont de trois fois le coût à cinq. Vous pouvez fabriquer de l'éthanol cellulosique aujourd'hui, mais à un prix qui est loin d'être parfait, explique Christopher Somerville, biologiste végétal à l'Université de Californie à Berkeley, qui étudie comment la cellulose est formée et utilisée dans les parois cellulaires des plantes.
La cellulose a des propriétés physiques et chimiques qui la rendent difficile d'accès et difficile à décomposer, explique Arnold de Caltech, qui a travaillé par intermittence sur l'approche biologique de la production d'éthanol cellulosique depuis les années 1970. D'une part, les fibres de cellulose sont maintenues ensemble par une substance appelée lignine, qui ressemble un peu à l'asphalte, explique Arnold. Une fois la lignine éliminée, la cellulose peut être décomposée par des enzymes, mais elles sont chères et les enzymes existantes ne sont pas idéales pour cette tâche.
De nombreux chercheurs pensent que le moyen le plus prometteur de rendre les biocarburants cellulosiques économiquement compétitifs implique la création – ou la découverte – de superbactéries, des microorganismes qui peuvent décomposer la cellulose en sucres puis fermenter ces sucres en éthanol. L'idée est de transformer ce qui est maintenant un processus en plusieurs étapes nécessitant l'ajout d'enzymes coûteuses en un processus simple en une étape, appelé dans l'industrie bioprocédé consolidé. Selon Lee Lynd, professeur d'ingénierie au Dartmouth College et cofondateur de Mascoma, une entreprise basée à Cambridge, MA, qui commercialise une version de la technologie, l'approche consolidée pourrait éventuellement produire de l'éthanol à 70 cents le gallon. Ce serait une percée transformationnelle, dit-il. Il ne fait aucun doute que ce serait attrayant.
Mais trouver des superbactéries s'est avéré difficile. Depuis des décennies, les scientifiques connaissent des bactéries capables de dégrader la cellulose et de produire également de l'éthanol. Pourtant, aucun ne peut faire le travail assez rapidement et efficacement pour être utile à une fabrication à grande échelle.
La nature, explique Arnold, offre peu d'aide. Il y a des organismes qui décomposent la cellulose, dit-elle, mais le problème est qu'ils ne fabriquent pas de carburants, donc cela ne vous fait pas beaucoup de bien. Une alternative, dit-elle, est de modifier génétiquement E. coli et la levure pour qu'elles sécrètent des enzymes qui dégradent la cellulose. Mais alors que de nombreux types d'enzymes pourraient faire le travail, la plupart d'entre eux n'aiment pas être insérés dans E. coli et levure.
Arnold, cependant, est optimiste quant à la découverte du bon organisme. On ne sait jamais ce qui se passera demain, dit-elle, que ce soit fait à l'aide de la biologie synthétique ou que quelqu'un en gratte simplement un du bas de sa chaussure.
Elle ne l'a pas tout à fait gratté de sa chaussure, mais Susan Leschine, microbiologiste à l'Université du Massachusetts, Amherst, pense qu'elle a peut-être trébuché sur un insecte qui fera l'affaire. Elle l'a trouvé dans un échantillon de sol collecté il y a plus de dix ans dans les bois entourant le réservoir de Quabbin, à environ 15 miles de son laboratoire. L'échantillon de Quabbin n'était qu'un des nombreux échantillons du monde entier que Leschine étudiait, il a donc fallu plusieurs années avant qu'elle ne finisse de l'analyser. Mais quand elle l'a fait, elle a réalisé que l'une de ses bactéries, Clostridium phytofermentans , avait des propriétés extraordinaires. Il décompose presque tous les composants de la plante et forme de l'éthanol comme produit principal, dit-elle. Il produit des quantités prodigieuses d'éthanol.
Leschine a fondé une entreprise à Amherst, SunEthanol, qui tentera d'augmenter la production d'éthanol à l'aide de la bactérie. Il y a un long chemin à parcourir, reconnaît-elle, mais elle ajoute que ce que nous avons est très différent, et cela nous donne une longueur d'avance. Nous avons déjà un microbe et l'avons démontré sur de vraies matières premières. Leschine dit que d'autres microbes utiles attendent probablement d'être découverts : un seul échantillon de sol, après tout, contient des centaines de milliers de variétés. Dans ce zoo de microbes, dit-elle, nous pouvons penser qu'il y en a d'autres avec des propriétés similaires.
Prairies fleuries
Cependant, que l'éthanol fabriqué à partir de biomasse cellulosique soit bon ou mauvais pour l'environnement dépend du type de biomasse et de la manière dont il est cultivé.
Dans son bureau de St. Paul, David Tilman, professeur d'écologie à l'Université du Minnesota, sort une grande photo aérienne d'un champ découpé en une grille nette. Même du point de vue de la caméra bien au-dessus du sol, le terrain semble pauvre. Dans une parcelle se trouvent de fines rangées d'herbes, le sol sablonneux est visible en dessous. Tilman dit que la terre était si infertile que son utilisation agricole avait été abandonnée. Ensuite, lui et ses collègues ont gratté toute la couche arable restante. Aucun agriculteur n'a une terre aussi mauvaise, dit-il.
Dans une série de tests, Tilman a fait pousser un mélange de graminées indigènes des prairies (y compris le panic raide) dans certaines parcelles du champ et une seule espèce dans d'autres. Les résultats montrent qu'un mélange diversifié d'herbes, même cultivées dans un sol extrêmement infertile, pourrait être une source précieuse de biocarburants, dit-il. Vous pourriez produire plus d'éthanol à partir d'un acre [d'herbes mélangées] qu'à partir d'un acre de maïs. Mieux encore, dans un article publié dans Science, Tilman a montré que les herbes des prairies pouvaient être utilisées pour produire de l'éthanol négatif en carbone : les herbes pourraient consommer et stocker plus de dioxyde de carbone que ce qui est libéré en produisant et en brûlant le carburant qui en est fait.
Les résultats sont frappants car ils suggèrent un moyen bénéfique pour l'environnement de produire des quantités massives de biocarburants sans concurrencer les cultures vivrières. D'ici 2050, selon Tilman, le monde aura besoin d'un milliard d'hectares de terres supplémentaires pour se nourrir. C'est la masse terrestre de l'ensemble des États-Unis juste pour nourrir le monde, dit-il. Si vous avez fait beaucoup de biocarburants sur des terres [arables] - il est très facile d'envisager un milliard d'hectares pour les biocarburants - vous n'aurez plus de nature et aucune réserve de terre après 50 ans. Au lieu de cela, soutient Tilman, il est logique de cultiver de la biomasse pour les carburants sur des terres relativement infertiles qui ne sont plus utilisées pour l'agriculture.
Mais en bas de la colline du bureau de Tilman, ses collègues du département d'économie appliquée s'inquiètent des problèmes pratiques liés à l'utilisation de grandes quantités de biomasse pour fabriquer du carburant. D'une part, soulignent-ils, la technologie et l'infrastructure qui pourraient gérer et transporter efficacement la biomasse encombrante doivent encore être développées. Et comme le matériel végétal coûtera cher à déplacer, les installations de production de biocarburants devront être construites à proximité des sources de matières premières, probablement dans un rayon de 80 km.
La quantité de biomasse nécessaire pour alimenter même une usine d'éthanol de taille moyenne est intimidante. Eidman calcule qu'une installation produisant 50 millions de gallons par an nécessiterait qu'un camion chargé de biomasse arrive toutes les six minutes 24 heures sur 24. De plus, dit-il, la matière première n'est pas gratuite : elle coûtera environ 60 à 70 dollars la tonne, soit environ 75 centimes le gallon d'éthanol. C'est là que beaucoup de gens se font avoir, ajoute-t-il.
Étant donné qu'aucune installation commerciale de cellulose n'a été construite, explique Eidman, il est difficile d'analyser les coûts spécifiques de diverses technologies. Dans l'ensemble, suggère-t-il, l'économie semble intéressante, mais l'éthanol cellulosique devra concurrencer les biocarburants dérivés du maïs et descendre à quelque chose comme 1,50 $ le gallon. Eidman pense qu'il faudra au moins 2015 avant que les biocarburants fabriqués à partir de cellulose ne deviennent un facteur important sur le marché.
Exilé
Alors que les ingénieurs chimistes, les microbiologistes, les agronomes et d'autres luttent pour trouver des moyens de rendre l'éthanol cellulosique commercialement compétitif, quelques biologistes synthétiques et ingénieurs métaboliques se concentrent sur une stratégie entièrement différente. À plus de quinze cents kilomètres de la ceinture de maïs du Midwest, plusieurs startups californiennes financées par du capital-risque et fondées par des pionniers dans le domaine naissant de la biologie synthétique créent de nouveaux micro-organismes conçus pour fabriquer des biocarburants autres que l'éthanol.
L'éthanol, après tout, n'est pas un carburant idéal. Molécule à deux carbones, elle ne contient que les deux tiers du contenu énergétique de l'essence, qui est un mélange d'hydrocarbures à longue chaîne. En d'autres termes, il faudrait environ un gallon et demi d'éthanol pour produire le même kilométrage qu'un gallon d'essence. Et parce que l'éthanol se mélange à l'eau, une étape de distillation coûteuse est nécessaire à la fin du processus de fermentation. De plus, parce que l'éthanol est plus facilement contaminé par l'eau que les hydrocarbures, il ne peut pas être expédié dans les oléoducs utilisés pour distribuer l'essence à bas prix à travers les États-Unis. L'éthanol doit être expédié dans des wagons spécialisés (les camions, avec leurs charges utiles relativement faibles, sont généralement beaucoup trop chers), ce qui augmente le coût du carburant.
Ainsi, au lieu d'éthanol, les startups californiennes envisagent de produire de nouveaux hydrocarbures. Comme l'éthanol, les nouveaux composés sont fermentés à partir de sucres, mais ils sont conçus pour ressembler davantage à l'essence, au diesel et même au carburéacteur. Nous nous sommes penchés sur l'éthanol, déclare Neil Renninger, vice-président senior du développement et cofondateur d'Amyris Biotechnologies à Emeryville, en Californie, et nous avons réalisé les limites et le désir de fabriquer quelque chose qui ressemble davantage aux carburants conventionnels. Essentiellement, nous voulions faire des hydrocarbures. Les hydrocarbures sont ce qui se trouve actuellement dans les carburants, et les hydrocarbures font les meilleurs carburants parce que nous avons conçu nos moteurs pour fonctionner avec eux. Si les chercheurs peuvent modifier génétiquement des microbes qui produisent de tels composés, cela changera complètement l'économie des biocarburants.
Le problème est que la nature n'offre aucun exemple connu de microorganismes qui peuvent fermenter les sucres en les types d'hydrocarbures utiles pour le carburant. Les biologistes synthétiques doivent donc repartir de zéro. Ils identifient des réactions métaboliques prometteuses dans d'autres organismes et insèrent les gènes correspondants dans E. coli ou la levure, en recombinant les voies métaboliques jusqu'à ce qu'elles produisent les produits souhaités.
Au LS9 de San Carlos, en Californie, des chercheurs transforment E. coli en un producteur d'hydrocarbures en réorganisant son métabolisme des acides gras ( voir Better Biofuels , Forward, juillet/août 2007 ). Stephen del Cardayré, vice-président de la recherche et du développement de LS9, explique que la société a décidé de se concentrer sur les acides gras, car les organismes les produisent naturellement en abondance, comme moyen de stocker de l'énergie. Nous voulions profiter d'un chemin qui [naturellement] fait beaucoup de choses, dit del Cardayré. Saisissez simplement votre milieu. Del Cardayré et ses collègues utilisent de nombreuses voies existantes dans le métabolisme des acides gras d'E. coli, mais les détournent vers la fin du cycle métabolique. Étant donné que les acides gras sont constitués d'une chaîne hydrocarbonée avec un groupe carboxyle, il est relativement simple de fabriquer les carburants hydrocarbonés. Considérez-le comme une autoroute, dit del Cardayré. Près de la fin de l'autoroute, nous ajoutons un détour, un chemin que nous avons conçu et collé là-bas, afin que les acides gras aient un meilleur endroit où aller. Nous les retirons et les modifions chimiquement, en utilisant cette nouvelle voie synthétique qui les amène aux produits que nous voulons.
Amyris adopte également l'approche de la biologie synthétique, mais au lieu de peaufiner le métabolisme des acides gras, il travaille sur les voies qui produisent les isoprénoïdes, une grande classe de composés naturels. Jusqu'à présent, cependant, LS9 et Amyris fabriquent leurs biocarburants quelques litres à la fois. Et tandis que les entreprises ont des calendriers ambitieux pour commercialiser leurs technologies – toutes deux affirment que leurs processus seront prêts d'ici 2010 – l'amélioration du rendement et de la vitesse de leurs réactions reste un défi critique. C'est là que se déroule la plupart des travaux biologiques, explique Renninger. Nous avons encore un petit chemin à parcourir, et ce petit chemin est très important.
S'ils sont finalement commercialisés, les biocarburants à base d'hydrocarbures fabriqués par LS9 et Amyris pourraient surmonter bon nombre des inconvénients économiques de l'éthanol. Contrairement à l'éthanol, les hydrocarbures se séparent de l'eau pendant le processus de production, aucune étape de distillation énergivore n'est donc nécessaire. Et les biocarburants à base d'hydrocarbures pourraient être expédiés dans les oléoducs existants. Tout est une question de coût, déclare Robert Walsh, président de LS9. Mais un facteur critique sera le prix des matières premières, dit-il. Nous voulons des sucres bon marché.
En effet, les startups de biologie synthétique sont confrontées au même problème que les producteurs d'éthanol établis : le maïs n'est pas une source bon marché de biocarburants. La prochaine génération [de matière première] sera cellulosique, déclare John Melo, PDG d'Amyris. Mais nous ne savons pas quelle technologie cellulosique sortira gagnante. Quelle que soit la technologie qui prévaut, dit Melo, Amyris espère pouvoir l'intégrer à son processus de fermentation, donnant à l'entreprise les avantages à la fois des matières premières cellulosiques bon marché et des combustibles hydrocarbonés pratiques.
Pour l'instant, cependant, l'absence d'alternative au maïs pousse Amyris hors du pays. La société, qui prévoit de moderniser les usines d'éthanol existantes afin qu'elles puissent produire des hydrocarbures, travaillera dans un premier temps avec des installations de biocarburant brésiliennes qui utilisent la canne à sucre comme matière première. Compte tenu du prix du maïs et de la quantité d'énergie nécessaire pour le produire, dit Melo, la canne brésilienne offre aujourd'hui le moyen le plus viable et le plus durable de fabriquer des biocarburants.
Pas le choix
Même dans une culture de la Silicon Valley qui vénère les investisseurs en capital-risque qui réussissent, Vinod Khosla a une place d'honneur particulière. Cofondateur de Sun Microsystems au début des années 1980, Khosla a ensuite rejoint la société de capital-risque Kleiner Perkins Caufield and Byers, où à la fin des années 1990 et au début des années 2000, il a acquis la réputation d'ignorer l'excitation des dot-com au profit d'une série de startups ésotériques. dans le domaine beaucoup moins prestigieux des réseaux optiques. Lorsque plusieurs startups ont vendu pour des milliards de dollars à de grandes entreprises préparant leur infrastructure pour le boom d'Internet, Khosla est devenu, selon les termes d'un titre surchauffé de l'époque, le VC n ° 1 sur la planète.
Aujourd'hui, Khosla, qui fait désormais partie des personnes les plus riches du monde (le Forbes 400 le classe à 317, avec une valeur nette de 1,5 milliard de dollars), investit la plupart de ses investissements dans les énergies alternatives. Il compte parmi ses sociétés de portefeuille plus d'une douzaine de startups de biocarburants - sociétés de biologie synthétique LS9 et Amyris, sociétés cellulosiques comme Mascoma et sociétés d'éthanol de maïs comme Cilion, basées à Goshen, en Californie. Mais appeler Khosla simplement un investisseur dans les biocarburants sous-estimerait grandement son implication. Au cours des dernières années, il est devenu l'un des principaux défenseurs mondiaux de la technologie, faisant la promotion de ses vertus et débattant librement de ses détracteurs ( voir Q&R , mars/avril 2007 ).
Khosla semble exaspéré par les opposants aux biocarburants. Le changement climatique, dit-il, est de loin le plus gros problème qui motive son intérêt pour les biocarburants. Si nous voulons éviter le changement climatique et diminuer la consommation d'essence, il n'y a pas d'alternative à l'utilisation des biocarburants cellulosiques pour le transport. La biomasse est la seule matière première en quantités suffisantes pour remplacer le pétrole de manière rentable, dit-il. Rien d'autre n'existe. Les véhicules hybrides et électriques, ajoute-t-il, ne sont que des jouets.
En particulier, soutient Khosla, toute technologie de transport doit être compétitive en Chine et en Inde, les marchés automobiles à la croissance la plus rapide au monde. Ce n'est pas grave de vendre un million d'appareils électriques dans un endroit comme la Californie, dit-il. La difficulté est de vendre un véhicule hybride à 20 000 $ en Inde. Aucune chance. Et toute technologie non adoptable par la Chine et l'Inde n'est pas pertinente pour le changement climatique, dit-il. Les écologistes ne se concentrent pas sur l'évolutivité. Si vous ne pouvez pas l'agrandir, ce n'est qu'un jouet. D'où le besoin de biocarburants. D'où les biocarburants issus de la biomasse.
Dans un certain nombre d'articles d'opinion publiés sur le site Web de Khosla Ventures, une entreprise qu'il a fondée en 2004 et qui a massivement investi dans les biocarburants et d'autres technologies environnementales, Khosla envisage une augmentation rapide de la production de biocarburants au cours des 20 prochaines années. Selon ses chiffres, la production d'éthanol de maïs se stabilisera à 15 milliards de gallons par an d'ici 2014, mais l'éthanol cellulosique augmentera régulièrement, atteignant 140 milliards de gallons d'ici 2030. À ce stade, prédit-il, les biocarburants seront bon marché et suffisamment abondants pour remplacer l'essence pour presque tous les usages.
Bien que Khosla reconnaisse volontiers les limites de l'éthanol dérivé du maïs, il dit que cela a été un tremplin important : le marché de l'éthanol de maïs a créé une infrastructure et un marché pour les biocarburants en général, éliminant de nombreux risques commerciaux liés à l'investissement dans l'éthanol cellulosique. . La raison pour laquelle j'aime [l'éthanol de maïs] est que sa trajectoire mène à l'éthanol cellulosique, dit-il. Sans l'éthanol de maïs, personne n'investirait dans la cellulose.
Mais de retour dans le Midwest, il y a une attitude montre-moi envers de telles projections de ciel bleu, et il y a des questions persistantes sur la façon dont la vaste infrastructure agricole du pays passera à la biomasse. Si les projections de Khosla s'avèrent, alors merveilleux, dit Runge de l'Université du Minnesota. Pendant ce temps, nous sommes coincés dans la réalité. Le principal point de discorde, suggère Runge, est peut-être de savoir si l'éthanol de maïs conduira en fait à de nouvelles technologies – ou s'y opposera. À mon avis, l'éthanol de maïs est un obstacle à la conversion à la cellulose, dit-il, soulignant l'inertie causée par les intérêts politiques et commerciaux fortement investis dans l'éthanol de maïs et ses infrastructures.
Runge n'est pas le seul à être sceptique. À moins que le coût ne soit réduit de manière significative, l'éthanol cellulosique ne mènera nulle part, déclare Wally Tyner, professeur d'économie agricole à l'Université Purdue. Rendre l'éthanol cellulosique viable nécessitera soit un mécanisme politique pour encourager l'investissement dans les nouvelles technologies, soit une percée phénoménale - et la probabilité que cela n'est pas trop élevé, dit Tyner. Les agriculteurs et les producteurs d'éthanol ne sont actuellement pas incités à prendre les risques de l'évolution des technologies, ajoute-t-il. Il n'y a pas de pont politique pour aider à faire la transition. Le statu quo ne le fera pas.
Malgré les fortes divergences d'opinion, il existe encore un terrain d'entente entre des gens comme Khosla, dont la foi débridée dans l'innovation a été nourrie par les succès de la Silicon Valley, et les habitants du Midwest dont le pragmatisme a été forgé par l'économie concurrentielle de l'agriculture. En particulier, la plupart des observateurs s'accordent à dire que la production annuelle d'éthanol issu du maïs se stabilisera d'ici quelques années. Après cela, toute croissance de la production de biocarburants devra venir des nouvelles technologies.
Mais si les biocarburants cellulosiques doivent commencer à remplacer l'essence d'ici cinq à dix ans, les installations devront bientôt commencer la construction. Cet automne, Range Fuels, une entreprise basée à Broomfield, dans le Colorado, a annoncé qu'elle avait commencé à travailler en Géorgie sur ce qu'elle prétend être la première usine d'éthanol cellulosique à échelle commerciale du pays. L'installation de Range, qui utilisera la technologie thermochimique pour fabriquer de l'éthanol à partir de copeaux de bois, devrait atteindre une capacité de 20 millions de gallons en 2008 et éventuellement passer à 100 millions de gallons par an. Pendant ce temps, Mascoma a annoncé plusieurs unités de démonstration, y compris une installation dans le Tennessee qui sera la première usine d'éthanol cellulosique construite pour utiliser le panic raide. Mais ces usines de production sont subventionnées par le gouvernement fédéral ou résultent de partenariats avec des organisations de développement étatiques ; attirer des investissements privés pour la production à l'échelle commerciale sera une autre affaire.
En effet, augmenter la capacité de production d'éthanol cellulosique sera un défi énorme et risqué, déclare Colin South, président de Mascoma. Quand les gens parlent de l'éthanol cellulosique comme s'il s'agissait d'une industrie, c'est une image injuste, dit-il. Il existe un certain nombre d'usines pilotes, mais aucune n'est sortie de l'échelle pilote. Nous devons encore montrer que nous pouvons réellement les exploiter sous la forme d'une usine chimique opérationnelle. South dit que Mascoma espère commencer la construction d'une usine commerciale en 2009 et la mettre en service au début de 2011. Mais il ajoute que l'entreprise ne procédera que lorsque les chiffres seront suffisamment bons.
Cependant, le chiffre le plus crucial sera peut-être le prix du pétrole brut. Si elle reste élevée, la production d'éthanol cellulosique pourrait devenir économiquement compétitive beaucoup plus tôt. Mais peu de gens, et encore moins les investisseurs qui risqueraient des centaines de millions de dollars sur de nouvelles usines, sont prêts à prendre ce pari. Beaucoup se souviennent de la fin des années 1970, lorsque le gouvernement fédéral a affecté environ un milliard de dollars pour financer la recherche liée à la biomasse, pour l'abandonner lorsque les prix du pétrole brut ont chuté au début des années 1980. Et tandis que le prix du baril de brut a oscillé au milieu des années 90 cet automne et que les prix de gros du gaz ont atteint 2,50 $ le gallon, les experts en biocarburants disent qu'ils ne peuvent pas compter sur des prix aussi élevés. De nombreux producteurs de biocarburants de nouvelle génération déclarent vouloir être compétitifs par rapport au pétrole brut à environ 45 dollars le baril pour assurer une viabilité à long terme sur le marché.
En effet, les annonces de nouvelles usines d'éthanol cellulosique tendent à occulter le fait que la technologie n'est toujours pas économiquement viable. Gregory Stephanopoulos, professeur de génie chimique au MIT, se décrit comme très optimiste quant à l'avenir des biocarburants. Mais même lui s'empresse d'ajouter qu'il faudra encore 10 ans pour optimiser les processus de production des biocarburants cellulosiques. Parmi une myriade d'autres problèmes, dit-il, il y a le besoin de microbes plus robustes et polyvalents pour les fabriquer.
Dans une petite salle de conférence à l'extérieur de son bureau, Stephanopoulos sort un crayon et du papier et commence à dessiner une série de cercles. Vous pouvez imaginer, dit-il, une bioraffinerie entourée de sources de différents types de biomasse. Il relie les cercles en un point central, créant des lignes comme des rayons sur une roue. On pourrait, poursuit-il, imaginer des pipelines à partir de ces sources. Et si la biomasse était traitée et acheminée vers la bioraffinerie sous forme de lisier ? Stephanopoulos serait le premier à reconnaître qu'une infrastructure aussi ambitieuse prendrait des années à mettre en place et que l'idée soulève de nombreuses questions techniques et d'ingénierie. Mais pour le reste de l'interview, le dessin reste patiemment sur la table, une simple cible.