En France, le secteur des transports constitue le principal émetteur de gaz à effet de serre, concentrant 34 % des émissions nationales avec un volume de 127 millions de tonnes de CO2 en 2023. Si le transport routier génère à lui seul plus de 94 % de ce total, l’aviation et le maritime représentent des gisements d’émissions complexes à traiter. À titre d’illustration, le trafic aérien national comptabilise 4 millions de tonnes de CO2, une empreinte qui s’envole à 22,1 millions de tonnes en intégrant les vols internationaux au départ ou à destination du territoire français.

Pour les déplacements légers du quotidien, l’électrification s’impose comme une réponse mature, particulièrement adaptée aux trajets de moins de 190 km grâce au rendement élevé des moteurs électriques sur un réseau bas carbone. Toutefois, l’autonomie limitée des batteries et leur faible densité énergétique interdisent leur emploi direct sur des navires porte-conteneurs de 200 000 tonnes ou des avions long-courriers de 500 tonnes. Face à cette contrainte physique, le maintien d’une alimentation par carburants liquides à haute densité énergétique demeure la seule alternative viable.

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Pour réduire l’empreinte environnementale du secteur aérien, l’Union européenne a instauré le règlement ReFuelEU Aviation, qui fixe des trajectoires d’incorporation progressives de carburants d’aviation durables (SAF – Sustainable Aviation Fuels). La législation impose aux fournisseurs de distribuer une part minimale de 6 % de SAF dès 2030, un taux d’incorporation qui devra atteindre 70 % d’ici 2050. Ces carburants durables regroupent les e-fuels de synthèse issus d’électricité décarbonée et les biocarburants issus de la photosynthèse.

L’objectif d’un biocarburant durable réside dans sa capacité à capter le CO2 atmosphérique via la croissance végétale pour restituer ce même carbone lors de la combustion, évitant ainsi l’injection de carbone fossile dans l’atmosphère. Cependant, la fabrication d’un combustible liquide concentré exige des apports d’énergie majeurs pour transformer la matière organique. Le bilan environnemental réel d’un biocarburant dépend donc de son EROI (Energy Return on Investment), mesurant le rapport entre l’énergie produite et l’énergie consommée tout au long du cycle de vie.

Les biocarburants de première génération (ou agrocarburants) sont issus de cultures alimentaires comme le maïs, la canne à sucre, le colza ou le tournesol. Malgré une production mondiale ayant atteint 100 milliards de litres dès 2010, ces carburants ne couvraient alors que 0,6 % des énergies renouvelables mondiales. De surcroît, le rendement énergétique EROI de cette filière fluctue fortement selon les procédés et les zones géographiques, s’échelonnant de 1 à 4 pour le biodiesel de tournesol et de 2 à 8 pour le bioéthanol de canne à sucre.

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L’impact environnemental des agrocarburants s’avère particulièrement controversé en raison du changement d’affectation des sols et des pressions exercées sur les ressources en eau et la sécurité alimentaire globale. Dès 2011, environ 21 % de la production mondiale de sucre et 11 % des huiles végétales ont été détournés vers les carburants, provoquant des corrélations directes avec l’envolée des prix alimentaires.

Pour lever ces verrous éthiques et agronomiques, la deuxième génération de biocarburants s’est orientée vers la valorisation de matières premières non alimentaires, telles que les résidus lignocellulosiques, la paille, les copeaux de bois et les déchets organiques. Ce modèle favorise l’économie circulaire en transformant des sous-produits forestiers et agricoles.

Toutefois, la structure moléculaire complexe de la lignocellulose oppose une grande résistance physique et chimique aux procédés de dégradation. La complexité des procédés de conversion thermique ou enzymatique alourdit le coût d’extraction, limitant jusqu’à présent le déploiement industriel massif de ces carburants à grande échelle.

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La troisième génération de biocarburants repose sur l’exploitation de micro-organismes photosynthétiques autotrophes : les microalgues marines. En mobilisant l’énergie solaire, le CO2 et des nutriments minéraux, ces micro-organismes fabriquent rapidement une biomasse riche en lipides. Leur productivité surfacique s’avère 10 à 30 fois supérieure à celle des plantes terrestres traditionnelles comme le maïs.

L’atout majeur des microalgues réside dans l’absence totale de compétition avec l’agriculture alimentaire. Cultivées dans des photobioréacteurs fermés ou des bassins ouverts à circulation (raceways), elles ne requièrent aucune terre arable ni eau douce consommable. De plus, leur métabolisme permet de les associer à des projets d’épuration des effluents ou de captage industriel du carbone.

Le passage de l’échelle du laboratoire à l’exploitation commerciale à grande échelle impose de résoudre de complexes défis opérationnels pour maintenir un EROI positif. L’ingénierie des procédés doit réduire l’énergie consommée par les pompes, les roues à aubes des bassins et les systèmes de régulation thermique. La récolte et la déshydratation de la biomasse représentent également des étapes énergivores. La technologie de liquéfaction hydrothermale offre une voie prometteuse en transformant la biomasse encore humide sous haute pression et haute température en biohuile, avant hydrotraitement.

Pour garantir la viabilité environnementale du procédé, les installations doivent être alimentées en CO2 biogénique non issu des énergies fossiles et réutiliser en boucle fermée l’eau ainsi que les nutriments résiduels (azote et phosphore). Le positionnement géographique des sites de culture exige un ensoleillement fort, des surfaces plates et la proximité d’émetteurs de CO2 concentré.

L’Europe soutient ces avancées technologiques à travers des programmes de recherche majeurs comme COCPIT et SUNFUSION. En France, ces travaux s’appuient sur l’expertise de la plateforme AlgoSolis et du laboratoire GEPEA (Nantes Université / IUT de Saint-Nazaire), avec l’implication de chercheurs comme Pierre Albrand, lauréat du programme PULSAR (2023-2025) soutenu par la Région Pays de la Loire. Ces projets transversaux réunissent des dizaines de partenaires européens pour valider les modèles technico-économiques des carburants de 3e génération.

L’industrialisation des biocarburants à base de microalgues constitue un enjeu d’indépendance énergétique majeure pour la souveraineté des transports européens.

Les avancées sur la liquéfaction hydrothermale et le recyclage des nutriments permettront-elles de produire du carburant d’aviation durable à base d’algues à un coût abordable d’ici l’échéance ReFuelEU de 2030 ?