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Le scientifique se bat toujours pour le carburant propre que le monde a oublié
Une décennie d'investissements dans les biocarburants avancés n'a mené nulle part, mais Jay Keasling reste intrépide. 10 mai 2018
Dans les dernières semaines de 2008, le département américain de l'Énergie a invité les politiciens et la presse à une cérémonie d'inauguration du Joint BioEnergy Institute à Emeryville, en Californie. Le laboratoire ultramoderne, soutenu par un financement fédéral de 125 millions de dollars, a rempli le dernier étage d'un immeuble de bureaux en verre scintillant qui reflétait les grands espoirs pour les biocarburants avancés.
Il s'agit de réunir les meilleures personnes au même endroit pour travailler sur ce qui pourrait être l'un des défis les plus importants de notre époque, mentionné Jay Keasling, biologiste synthétique à l'Université de Californie à Berkeley et directeur général de l'institut de recherche.
La mission de JBEI (prononcé jay-bay) était de produire des biocarburants bon marché à partir de sources cellulosiques, c'est-à-dire les feuilles et les tiges de plantes comme le panic raide plutôt que les grains de cultures vivrières comme le maïs. Le laboratoire visait à aller au-delà de l'éthanol, s'efforçant de créer des carburants neutres en carbone qui pourraient remplir les réservoirs des voitures, des avions, des navires et des camions standard. S'ils réussissaient, ils promettaient de réduire considérablement les émissions de gaz à effet de serre et la dépendance des États-Unis au pétrole (voir Le prix des biocarburants).
JBEI développe des types de panic raide et de sorgho qui produisent beaucoup plus de sucres et beaucoup moins de lignine.
Keasling a fait autant que n'importe quel individu pour faire avancer le domaine et vendre la promesse de tels carburants. En plus de diriger JBEI, il a cofondé plusieurs startups bien financées, dont LS9 et Amyris Biotechnologies, pour transformer cette vision en réalité.
Mais une décennie plus tard, le domaine est en ruine. JBEI et d'autres laboratoires de bioénergie financés par le gouvernement fédéral survivent toujours, mais la plupart des entreprises de biocarburants avancés, y compris Keasling's, ont abandonné leur rêve.
Les entreprises américaines ne produisent qu'une partie des carburants cellulosiques requis par les normes sur les carburants renouvelables mises en place à la fin de la dernière administration Bush, et une grande partie est de l'éthanol dérivé de restes agricoles comme les tiges de maïs. Compte tenu de ce manque à gagner, l'Agence de protection de l'environnement émet simplement des dérogations pour les biocarburants avancés chaque année, permettant à l'industrie de poursuivre en grande partie ses activités comme d'habitude.
Le prochain objectif de JBEI est de développer des usines qui peuvent éventuellement produire des biocarburants avancés pour moins de 3 $ le gallon.
JBEI a fait des progrès scientifiques, mais si les cultures, les techniques et les insectes de l'institut étaient déployés à l'échelle commerciale aujourd'hui, un gallon de carburant résultant coûterait 14 fois ce que nous payons à la pompe.
La production de biocarburants avancés bon marché s'est tout simplement avérée être un problème beaucoup plus difficile que prévu. Nous l'avons probablement sous-estimé et probablement survendu aussi, a reconnu Keasling le mois dernier, lors d'un entretien dans son bureau à JBEI.
Pourtant, Keasling, pour sa part, n'a pas abandonné l'espoir d'un avenir dans lequel les biocarburants remplaceront de manière viable l'essence, le diesel et le carburéacteur.
Lavé pendant la nuit
Keasling a grandi dans une petite ville du Nebraska, dans une ferme de maïs qui appartient à sa famille depuis cinq générations. Pendant ses études supérieures en génie chimique à l'Université du Michigan, il est devenu fasciné par le potentiel du génie génétique pour résoudre de gros problèmes. Il a ensuite fait des recherches postdoctorales dans le domaine à Stanford avant d'atterrir en tant que professeur à l'UC Berkeley à l'âge de 28 ans.
C'est là qu'il a entrepris un travail de pionnier en biologie synthétique, transformant les levures et les bactéries en minuscules usines capables de cracher des isoprénoïdes, une classe de composés utilisés pour produire du caoutchouc, des antibiotiques et des parfums. Plus particulièrement, lui et ses collaborateurs ont développé un procédé pour produire un précurseur synthétique de l'artémisinine, l'un des rares traitements efficaces contre le paludisme, en insérant l'ADN de plusieurs organismes différents dans E. coli et la levure. Il est considéré comme l'une des premières véritables percées en biologie synthétique.
Passer de l'artémisinine, un hydrocarbure moléculairement similaire au pétrole, aux biocarburants n'a pas fait un grand bond en avant dans l'imagination. Dans des entretiens antérieurs, Keasling décrit comme une simple question de supprimer quelques gènes et d'en ajouter un autre.
Début 2008, sa startup Amyris claironné prévoit de produire un milliard de gallons par an d'un biodiesel à base de canne à sucre à partir de ses micro-organismes issus de la bio-ingénierie, pour aussi peu que 60 dollars le baril et le tout d'ici quelques années (voir À la recherche du point idéal des biocarburants).
Keasling présente les laboratoires ultramodernes de JBEI, à Emeryville, en Californie.
Mais lorsque la récession économique de 2008 s'est installée, les prix du pétrole ont chuté d'un sommet près de 150 $ le baril à quelques dollars moins de 30 $ d'ici la fin de l'année. Il est difficile de s'enthousiasmer pour l'économie renouvelable lorsqu'il s'agit d'un baril de pétrole à 30 dollars, déclare David Berry, associé général de la société de capital-risque Flagship Pioneering, qui a cofondé LS9 avec Keasling en 2005. Marchés de la dette et des actions lavé pendant la nuit.
Et ils ont emmené de nombreuses startups avec eux. La plupart des survivants se sont déplacés vers d'autres secteurs d'activité. LS9 s'est tourné vers la fabrication de produits chimiques spécialisés et a finalement été acquis par Renewable Energy Group (voir Pourquoi la promesse d'un carburant bon marché de Super Bugs est tombée à court).
Amyris, qui est devenue publique en 2010, n'a jamais produit son diesel renouvelable à l'échelle commerciale. Il se concentre désormais sur les nutraceutiques, les soins de la peau et les arômes et parfums artificiels. Un porte-parole a refusé de dire quel prix l'entreprise était en mesure d'obtenir pour le carburant, mais Keasling l'a estimé à 1,75 $ le litre, soit environ 6,63 $ le gallon.
Malgré tout l'enthousiasme d'il y a dix ans, produire des biocarburants avancés abordables a toujours été une idée audacieuse.
Pour commencer, vous devez planter, récolter, sécher et expédier des volumes massifs de cultures, de la manière la plus propre et la plus durable possible. Et puis le plus dur commence.
Pour extraire les carburants des tiges et des feuilles, il faut séparer les glucides riches en énergie dans les parois cellulaires de la plante des molécules de lignine ligneuse qui se lient étroitement autour d'elles, généralement en utilisant des acides, de la pression et de la chaleur. Ensuite, vous avez besoin de microbes capables de consommer ces glucides, principalement de la cellulose, et d'éliminer les carburants. Mais aucun bogue naturel n'est connu pour produire le type qui peut directement remplir le réservoir des voitures existantes, de sorte que les scientifiques doivent concevoir génétiquement ceux qui le peuvent.
Malgré tous les efforts et le financement, certains sur le terrain pensent qu'il n'y a pas eu beaucoup de progrès réels sur ces défis au cours de la dernière décennie.
L'opinion générale est que peu de choses ont changé, déclare Gregory Stephanopoulos, professeur de génie chimique au MIT. La voie de la cellulose aux sucres en passant par le carburant ne semble nulle part plus prometteuse aujourd'hui.
Se rendre à un gallon de 3 $
Keasling n'est pas d'accord, arguant que JBEI et d'autres laboratoires ont fait des progrès scientifiques significatifs. Les chercheurs de l'institut californien, qui sert de plaque tournante à une collaboration entre six laboratoires de recherche et universités, ont publié près de 700 articles évalués par des pairs, obtenu près de 30 brevets et lancé six startups.
Les chercheurs de JBEI ont modifié génétiquement des types de panic raide et de sorgho afin qu'ils produisent beaucoup plus de sucres et beaucoup moins de lignine que les plantes standard. Ils ont également développé un procédé pour convertir la lignine en liquides ioniques, qui sont des sels qui décomposent la biomasse, transformant un déchet en un outil efficace pour la déconstruction des plantes.
Enfin, les scientifiques ont conçu des microbes capables de produire plusieurs types de carburants instantanés à partir de ces plantes, notamment pinene , un précurseur du carburéacteur; isopentenol , qui pourrait remplacer l'essence ; et bisabolène , qui produit un sacré bon diesel, dit Keasling.
Ces avancées collectives ont fait baisser le coût d'un gallon de biocarburant de nouvelle génération d'environ 300 000 dollars lorsqu'ils ont commencé à environ 35 dollars, du moins s'ils étaient produits à l'échelle commerciale, explique Keasling.
Mais bien sûr, personne n'augmenterait la production d'un carburant à 35 $ le gallon lorsque le gallon moyen d'essence coûte 2,50 $. Alors maintenant, le laboratoire passe à une nouvelle étape de la recherche, dans le but précis de réduire cet écart. En juillet dernier, le JBEI et d'autres centres fédéraux de recherche sur la bioénergie ont obtenu un financement fédéral renouvelé de 25 millions de dollars par an, le même niveau que l'institut a reçu depuis le début.
JBEI développe des types de panic raide et de sorgho qui produisent beaucoup plus de sucres et beaucoup moins de lignine.
L'objectif déclaré dans la demande de financement de JBEI était de développer des biocarburants qui pourraient être produits pour moins de 3 dollars le gallon au cours des cinq prochaines années, a déclaré Keasling.
Je ne sais pas si on va y arriver dans cinq ans, dit-il. Je serais bien si nous obtenons cela dans 10 ans, franchement.
Keasling pense que la clé d'une grande partie de cette amélioration réside dans la lignine, qui considérable carbone mais s'y accroche obstinément. Les chercheurs de JBEI devront modifier les plantes afin que les liens de la lignine soient plus facilement rompus. Ensuite, ils doivent modifier les ligninases, une classe d'enzymes peu connue connue pour décomposer la lignine, afin d'extraire davantage de carbone. Enfin, ils doivent développer de nouveaux ensembles de microbes capables de convertir les composés restants en carburants.
Le dernier élément du plan pour franchir le seuil de 3 dollars consiste à développer des moyens de convertir certaines parties de l'usine en produits de plus grande valeur qui pourraient subventionner le coût des biocarburants, comme les retardateurs de flamme ou les matériaux pour l'impression 3D.
Demandes concurrentes
Pour que le monde ait une chance décente d'empêcher les températures mondiales d'augmenter de plus de 2 ˚C, la bioénergie devrait fournir 17 % de la demande totale d'énergie d'ici 2060, contre 4,5 % en 2015, selon une analyse de l'Agence internationale de l'énergie. . Mais jusqu'à présent, les gains de production sont bien en deçà du rythme requis pour atteindre ces objectifs. Entre autres, l'offre de biocarburants pour le transport devra décupler au cours des prochaines décennies.
Les estimations de la quantité de terres nécessaires varient considérablement, mais pour que les biocarburants répondent à près de 30 % des besoins de transport d'ici le milieu du siècle, 100 millions d'hectares devraient être consacrés à la croissance des matières premières, a conclu l'AIE dans un rapport de 2011. rapport . C'est environ un neuvième de la superficie consacrée à l'agriculture aux États-Unis.
Nous avons un nombre énorme de demandes concurrentes sur les terres, et l'idée que nous pouvons libérer de grandes quantités pour produire de l'énergie de la biomasse est très susceptible de se heurter à des contraintes, déclare Chris Field, directeur du Stanford Woods Institute.
Un sérieux défi connexe est la mise à l'échelle des biocarburants avancés de manière à réduire considérablement les émissions totales de gaz à effet de serre, ce qui est tout l'intérêt. Chaque étape, de la plantation à la production, est énergivore en soi, donc les détails de la façon dont tout cela est fait sont très importants. En particulier, les chercheurs craignent que si jamais le marché décolle, cela pourrait créer des incitations perverses, comme encourager les agriculteurs à raser les forêts, qui sont d'énormes puits de carbone, pour faire place à ce type de cultures.
Rêve vivant
Mais malgré ces défis, il existe des raisons évidentes pour lesquelles beaucoup pensent depuis longtemps que les biocarburants joueront un rôle important dans la réduction des émissions de gaz à effet de serre. Aux États-Unis, plus de la moitié de cette pollution provient d'utilisations de transport comme les voitures, le camionnage, le transport maritime et les avions. Malgré quelques gains notables dans les véhicules électriques à batterie, une grande partie de ce secteur ne peut encore être alimentée qu'avec des combustibles fossiles.
L'un des plus de 160 chercheurs de JBEI travaillant dans le laboratoire.
En ce qui concerne le stockage d'énergie mobile et dense, les carburants liquides sont tout simplement très difficiles à battre, d'autant plus qu'une grande partie de l'infrastructure énergétique mondiale est construite autour d'eux, déclare Hanna Breetz, politologue spécialisée dans les carburants et véhicules alternatifs à l'Arizona State University. .
Les carburants liquides continueront d'être une grande partie du système énergétique à l'avenir, en particulier dans les transports, et je m'attends à ce que les biocarburants fassent partie de ce secteur, dit-elle.
Même si les laboratoires font des progrès remarquables au cours des prochaines années, il faudra encore des décennies à ces carburants pour conquérir une part de marché réelle dans une industrie où des milliards de dollars sont investis dans les activités quotidiennes d'extraction et de raffinage du pétrole. L'accélération de cette transition nécessitera beaucoup plus de soutien gouvernemental, y compris potentiellement un prix sur le carbone, des normes plus élevées pour les carburants renouvelables, des plafonds d'émissions, et plus encore, dit Keasling.
Cela peut sembler demander beaucoup à quelqu'un dont le laboratoire a reçu des centaines de millions de dollars de fonds publics et dont les startups ont brûlé similaires de niveaux d'investissement à risque. Mais Keasling dit que c'est simplement ce qu'il faudra pour remanier une industrie bien établie à l'échelle et à la vitesse requises pour contrer les dangers climatiques croissants.
Ce qui l'inquiète, c'est que les perspectives de telles politiques n'ont fait que s'assombrir ces dernières années. Mais malgré les échecs politiques et scientifiques qui ont miné la quête de biocarburants avancés bon marché, il reste convaincu de leur potentiel de réduction des émissions.
Lorsque notre gouvernement décide qu'il est temps de donner la priorité à cela, dit Keasling, je pense que les biocarburants pourraient jouer un grand rôle.