Environmental impact extrapolation of environmental processes at low Technology Readiness Level (TRL) : application to microalgae-based processes

Extrapolation de l'impact environnemental de procédés environnementaux à faible TRL : application aux procédés à base de microalgues Les microalgues présentent un potentiel important pour produire des composés valorisables dans les secteurs de l'énergie, de la chimie, des cosmétiques et de la nutrition. Cette nouvelle plateforme biologique permet, grâce à la photosynthèse, de capter le dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre majeur. Les microalgues sont généralement cultivées en suspension dans des bassins ou des photobioréacteurs, qui mobilisent de grandes quantités d'énergie pour mélanger le milieu de culture et récolter les microalgues. Cette forte demande énergétique réduit considérablement les avantages environnementaux de la production de microalgues. L'analyse du cycle de vie permet de guider le développement de nouveaux procédés de culture des microalgues, et d'en évaluer l'impact environnemental. La difficulté pour ces procédés à faible niveau de maturité technologique (TRL) est extrapoler leur impact à l'échelle industrielle alors que seuls des résultats expérimentaux à petite échelle sont disponibles. C'est la question centrale de la thèse, qui met en œuvre une approche systématique pour évaluer l'impact d'un procédé à grande échelle, en simulant des scenarios grâce à des modèles numériques. Les scenarios les moins impactants sont alors choisis dans une démarche d'écoconception. Deux exemples alimentent une réflexion générale. Un procédé de culture de microalgues en biofilm rotatifs, qui permet de réduire considérablement la demande énergétique. Dans ces cas, la biomasse algale a pour vocation de remplacer les farines de poisson. Cet exemple est prolongé par une extrapolation de la production potentielle sous serre dans 25 pays répartis sur les 5 continents. Le second cas d'application est un procédé algues-bactéries, associé à dispositif de séparation membranaire, pour produire des biocarburants en recyclant le CO2 industriel, l'azote et le phosphore issus d'effluents de méthanisation. Pour chacun de ces cas d'études, des modèles mathématiques intégrant les fluctuations climatiques simulent un grand nombre de scenarios et évaluent les flux de masse et d'énergie depuis et vers l'environnement. L'étude de ces différents scenarios, associée à une analyse de sensibilité itérative, permet de choisir ceux qui sont les moins impactants, dans une démarche d'éco-conception.L'éco-conception de la production de microalgues en biofilm rotatifs a permis de réduire les différentes catégories d'impacts de 25 % à 88,3 %. L'empreinte environnementale de la farine d'algues est plus faible que celle d'autres sources de protéines conventionnelles (farine de poisson et farine de soja). Lorsqu'on s'intéresse à l'effet de la localisation géographique, les impacts environnementaux dépendent fortement de manière dont l'électricité est produite, et de l'énergie mobilisée pour réguler la température à l'intérieur de la serre, et ils sont minimes pour neuf villes pour lesquels la serre peut rester passive, avec des productivités annuelles entre 30 et 51,3 g.m-2.j-1. Pour le deuxième cas d'étude, la biomasse de microalgues produite dans un raceway à partir de digestat, c'est le scénario avec un faible temps de séjour hydraulique, mobilisant les plus petites surfaces de production qui est le moins impactant, même si c'est le moins efficace pour recycler l'azote et le phosphore.En gérant efficacement des compromis entre coût environnemental et efficacité, l'éco-conception de nouvelles technologies à faible TRL peut entraîner des réductions substantielles des impacts environnementaux potentiels. L'utilisation de modèles mathématiques en conjonction avec l'ACV permet non seulement d'améliorer la capacité à prévoir les impacts environnementaux des technologies émergentes à travers de multiples scénarios potentiels, mais aussi de mieux comprendre comment ces innovations peuvent être optimisées en vue d'un scaling up. Cette approche holistique soutient le développement de systèmes respectueux de l'environnement qui s'inscrivent dans des objectifs de développement durable.