Le varech a le potentiel de devenir le biocarburant du futur. Les chercheurs de l'USC Dornsife testent actuellement une méthode conçue pour faire pousser suffisamment d'algues pour transformer le paysage énergétique. Crédit :Dan Stiles pour le magazine USC Dornsife.
Imaginez ceci :en pleine mer, des rangées de varech d'élevage s'étendant sur une superficie de la taille du Mexique. Une fois récolté et transformé, cette algue à croissance rapide serait transformée en carburant que vous pourriez pomper dans votre voiture. Ne dépendez plus des combustibles fossiles qui mettent des millions d'années à se former et dont les émissions dans l'atmosphère sont le plus grand contributeur à la hausse des températures de la Terre.
Des tonnes de preuves scientifiques, dont un récent rapport du Groupe d'experts intergouvernemental des Nations Unies sur l'évolution du climat, une évaluation non politique de 91 scientifiques de 40 pays, dressent un tableau sombre de l'économie, la santé et l'environnement si des mesures agressives pour maîtriser le réchauffement climatique ne sont pas prises au cours de la prochaine décennie.
Pour relever le défi, Les chercheurs de l'USC Dornsife ont testé des solutions créatives, du biocarburant de varech aux économies d'énergie entièrement nouvelles à la refonte des déchets. Ces solutions peuvent être à la fois entrepreneuriales et rentables, créer des modèles commerciaux innovants qui peuvent générer des emplois et une économie saine tout en sauvant la planète.
Puissance de l'usine
Au Marine Science Center de l'USC Wrigley Institute for Environmental Studies sur l'île de Santa Catalina au large de Los Angeles, les chercheurs testent si le varech pourrait devenir un carburant renouvelable.
Pourquoi le varech ? Diane Kim, directeur associé des projets spéciaux de l'institut, fait partie de l'équipe en charge de la recherche sur les biocarburants.
Elle dit que le varech géant commun trouvé le long de la côte californienne est l'un des organismes à la croissance la plus rapide sur la planète. Nécessitant un minimum de ressources naturelles, il peut pousser d'un à deux pieds par jour dans des conditions idéales.
« Le varech est souvent appelé « séquoia de la mer » parce qu'il peut devenir si massif—jusqu'à 100 à 150 pieds de long, " dit-elle. " Et ces organismes commencent à peine plus gros qu'une bactérie. "
Grandir, le varech a besoin de soleil et de nutriments. Les deux sont abondants dans l'océan, mais il y a un hic.
"La lumière monte près de la surface et les nutriments se trouvent plus profondément dans la colonne d'eau, " explique Kim. Le long de la côte californienne, l'upwelling ramène cette eau à la surface, c'est pourquoi de telles grandes forêts de varech se trouvent près du rivage. Mais ce n'est pas le cas en pleine mer, où le varech a le potentiel d'être cultivé à une échelle beaucoup plus grande.
« Cela a le potentiel de transformer le paysage énergétique tel que nous le connaissons, ", a déclaré Kim.
Grâce au financement de l'Agence des projets de recherche avancée sur l'énergie du département de l'Énergie des États-Unis, chercheurs de l'USC Wrigley Institute, aidé par un partenaire de l'industrie, testent une stratégie de cycle de profondeur à l'aide d'un système à l'échelle pilote surnommé « l'élévateur de varech », une structure dans l'océan qui déplace le varech de haut en bas, le faire remonter à la surface pour absorber la lumière du soleil, puis redescendez dans les profondeurs riches en nutriments.
En cas de succès, ce système pourrait servir de base à un réseau autonome de fermes de varech flottantes qui pourraient être agrandies pour produire la quantité de biomasse de varech nécessaire pour rendre le coût des biocarburants à base de macroalgues compétitif par rapport aux combustibles fossiles.
Au cours de la prochaine année, l'équipe, qui comprend Kim, Jean Heidelberg, professeur agrégé de sciences biologiques et d'études environnementales, David Ginsburg, professeur agrégé (enseignement) d'études environnementales, et de nombreux étudiants de premier cycle et des cycles supérieurs, testera différentes stratégies de cycle de profondeur et différentes espèces de macroalgues pour une croissance optimale.
Une fois qu'ils peuvent démontrer la croissance du varech sous ces paramètres, leur partenaire industriel, Bioénergie marine, commencera la commercialisation. Les ingénieurs chimistes du Pacific Northwest National Laboratory du ministère de l'Énergie affinent un processus pour transformer le varech en biocarburant à grande échelle grâce à un processus appelé liquéfaction hydrothermale. Le résultat, ils anticipent, sera presque neutre en carbone.
Les calculs préliminaires suggèrent que si leur concept fonctionne, Le biocarburant de varech a le potentiel de répondre aux besoins de tous les carburants de transport américains.
« Cela a le potentiel de transformer le paysage énergétique tel que nous le connaissons, ", a déclaré Kim.
Une nouvelle économie énergétique
Le projet de biocarburant de varech de l'USC Wrigley Institute poursuit un héritage de recherche énergétique à l'USC Dornsife qui remonte à plusieurs décennies.
Entrez dans le bureau de G.K. Surya Prakash, directeur du Loker Hydrocarbon Research Institute de l'USC Dornsife, et vous trouverez des indices dans lesquels réside un scientifique brillant et prolifique.
Une bibliothèque garnie de manuels de chimie organique d'années d'enseignement des fondamentaux aux étudiants de premier cycle s'étend le long de son bureau, qui est couvert de piles soignées d'articles scientifiques de près de 2 pieds de haut.
Et si vous regardez bien, vous trouverez une série d'instruments curieux qui révèlent l'œuvre de sa vie :une hélice en plastique de la taille d'une paume attachée à une pile à combustible fonctionnant au méthanol; une cuisinière de la taille d'une assiette, également alimenté au méthanol; et une petite bouteille en verre remplie de ce qui ressemble à un détergent à lessive en poudre.
Un sous-produit naturel de l'industrie du biodiesel connaît une seconde vie. Les chercheurs de l'USC Dornsife ont inventé un moyen de transformer la glycérine en un agent conservateur et antimicrobien naturel précieux qui peut être utilisé pour fabriquer des cosmétiques et des savons. Crédit :Université de Californie du Sud
Tenant la bouteille, Prakash, George A. et Judith A. Olah, lauréat de la Chaire Nobel de chimie des hydrocarbures et professeur de chimie à l'USC Dornsife, explique que les granulés blancs sans prétention sont un nouveau produit utilisant la technologie développée à l'institut pour aider les grands bâtiments à gérer plus efficacement la qualité de l'air.
Les particules, fabriqué pour un usage commercial par la société enVerid avec une licence d'un brevet Loker, absorber et capturer le dioxyde de carbone et d'autres contaminants atmosphériques.
"Pensez à n'importe quel grand bâtiment, " dit Prakash. " Des milliers de personnes respirent de l'oxygène et exhalent du dioxyde de carbone. "
Si les niveaux de dioxyde de carbone augmentent trop, les gens auront des vertiges ou auront sommeil. Donc typiquement, les systèmes de ventilation des bâtiments injecteront l'air de l'extérieur toutes les deux heures pour éliminer le dioxyde de carbone et d'autres contaminants. Ce processus utilise beaucoup d'énergie, Prakash explique. Mais lorsque les granulés sont introduits dans le système CVC, il absorbe les impuretés de l'air et réduit la consommation d'énergie d'un bâtiment de 20 à 30 %.
"C'est un moyen de compenser le dioxyde de carbone qui est double, ", dit-il, réduisez la quantité de dioxyde de carbone dans la circulation d'air d'un bâtiment tout en réduisant l'empreinte carbone de l'énergie utilisée pour gérer la qualité de l'air.
Prakash a passé quatre décennies à l'USC Dornsife à réfléchir à l'énergie, aux moyens de la stocker et de l'exploiter. Ces instruments dans son bureau illustrent certaines des utilisations pratiques de ce qu'on appelle l'économie du méthanol, le concept visionnaire de création de sources d'énergie renouvelables qu'il a initialement développé avec le regretté professeur de chimie de l'USC Dornsife George Olah, lauréat du prix Nobel et ancien collègue et mentor de Prakash.
Le point de départ est le dioxyde de carbone, un gaz naturel qui augmente rapidement dans notre atmosphère, principalement en raison des activités humaines telles que la combustion de combustibles fossiles et la déforestation. L'économie du méthanol, un modèle par lequel la chimie est utilisée pour produire du méthanol à la place des combustibles fossiles pour le stockage de l'énergie, carburant et matières premières, cherche à utiliser le carbone comme solution.
"La Terre n'a pas de problème d'énergie, " a déclaré Prakash. "Ce qu'il a, c'est un problème de stockage d'énergie et de vecteur d'énergie.
"L'idée est que nous allons prendre le dioxyde de carbone et le reconvertir en certains combustibles chimiques et matières premières en utilisant l'énergie du soleil, " a déclaré Prakash.
Le méthanol est facilement créé en laboratoire, et à un coût relativement bas, il ajoute. L'infrastructure existe déjà pour l'utiliser comme carburant et matière première pour remplacer les produits à base de pétrole.
Les États-Unis ont mis du temps à adopter la technologie, principalement parce que les compagnies pétrolières n'ont pas beaucoup d'incitation financière à passer à l'alternative de combustion plus propre. Cependant, des pays comme la Chine, Islande, Israël et la Suède ont adopté la source de carburant renouvelable pour diverses utilisations, principalement pour le transport. (Usine de production de méthanol renouvelable exploitée par Carbon Recycling International à Reykjavik, Islande, porte le nom d'Olah.)
L'Inde réfléchit également à la manière d'incorporer le méthanol comme carburant de transport ainsi qu'un gaz de cuisine pour remplacer le kérosène largement utilisé, qui produit des polluants dangereux, d'où le prototype d'un réchaud au méthanol sur le bureau de Prakash.
Un catalyseur gagnant pour le changement
Zhiyao Lu est chercheur postdoctoral au Loker Hydrocarbon Research Institute. Avant d'obtenir son doctorat. en chimie de l'USC Dornsife en 2016, il étudiait les sciences pharmaceutiques. Mais ses intérêts ont commencé à changer. Vers 2010, il a commencé à voir des rapports montrant que, à mesure que l'industrie du biodiesel se développait et que l'huile végétale était utilisée à plus grande échelle, la glycérine brute était produite en quantités croissantes.
« De plus en plus, il finissait en déchet ou en polluant, " dit Lu. " J'ai réalisé que c'était un problème, et je me suis fixé cet objectif de fournir au moins une solution pour améliorer la situation."
Il s'est fixé pour objectif de trouver un moyen de transformer les déchets en quelque chose de précieux. Travaillant avec le professeur de chimie de l'USC Dornsife Travis Williams, il a développé un catalyseur qui permet une transformation chimique exceptionnellement efficace qui convertit la glycérine en lactate. Usually derived from plants, lactate is a valuable natural preservative and antimicrobial agent with a wide range of applications. Most often it is used in cosmetics and soaps.
Lu was interested in commercializing their findings. Williams encouraged him to pursue support to translate their research. Donc, Lu applied for the 2018 USC Wrigley Sustainability Prize, which was created by the USC Wrigley Institute to inspire and support the development of entrepreneurial businesses focused on improving the environment. He took home first place along with $7, 000 to help get the business off the ground.
On the heels of that honor, Lu was selected to participate in the National Science Foundation Innovation Corps (I-Corps) program, a seven-week curriculum that supports scientists in bringing their technology to market. Through I-Corps, Lu and Williams met with potential customers, partners and investors to learn the next steps that would take their technology from the lab to a commercial enterprise.
Par conséquent, the pair's company, Catapower, will be working with World Energy, a top supplier of biodiesel in the U.S., to co-develop the chemical process into a commercial one. À l'heure actuelle, they are building a demonstration of how that would work in their manufacturing plants.
Lu explains that with just a few extra steps and some additional staff, glycerin can easily be converted to lactate as part of each plant's day-to-day operations, using existing equipment.
By Lu's calculations, Catapower's process could lower the overall cost of producing lactate by 60 percent, when compared with the current commercial practice used to manufacture it.
"Our business advisor said once we start producing it, it will be like printing money, " Lu said. "I'm not as optimistic, but I think the profit margin is good enough for us to run a sustainable business."
