12 janvier 2006

Electricité solaire : il n'y a pas que le photovoltaïque

stirling_solaireQuand on parle de produire de l'électricité à partir de l'énergie solaire, on pense aux panneaux photovoltaïques. Ces modules représentent une solution prometteuse à long terme, lorsque la technologie aura progressé pour diminuer les coûts de fabrication et augmenter le rendement. Mais à l'heure actuelle, l'investissement représenté par la mise en place d'une installation photovoltaïque est trop élevé pour rendre cette solution intéressante. Sur le plan énergétique, il faut entre 10 et 15 ans pour qu'un panneau solaire produise autant d'énergie qu'il en a fallu pour le fabriquer (Edité le 26/09/2008 : correction : pour des panneaux photovoltaïques raccordés au réseau, et avec la technologie d'aujourdhui, le retour sur investissement énergétique de panneaux photovoltaïques est d'environ 3 ans ; les 10 ans sont vrais pour un système autonome, non raccordé au réseau, et ce sont alors les batteries qui augmentent le temps de retour sur investissement énergétique) ... Mais les progrès constants de la recherche sur cette technologie la rendront certainement plus compétitive dans les années à venir.

Mais le photovoltaïque n'est pas la seule solution : on peut utiliser un moteur Stirling dont la source chaude est le foyer d'une parabole (voir photo). Celle-ci tourne pour suivre le soleil et recueillir un maximum d'énergie. Le moteur Stirling actionne une génératrice triphasée. Une telle installation possède un rendement énergétique égal ou supérieur à celui du photovoltaïque, c'est-à-dire presque 20% du rayonnement solaire converti en électricité. Le générateur représenté sur la photo ci-dessus peut délivrer une puissance de 9 kW, c'est à dire alimenter complètement une habitation.

Avec ce système, on convertit le rayonnement en chaleur, puis en électricité. Il est envisageable de concevoir une installation qui produise à la fois chaleur et électricité, en cogénération. On récupérerait la chaleur sur le radiateur (source froide) du moteur Stirling, c'est-à-dire la chaleur que le moteur n'a pas été capable de convertir en électricité. Une telle installation apporterait donc à la fois l'électricité et le chauffage.

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10 janvier 2006

PSA dévoile la première PAC française

pac_cea_psaLes constructeurs français étaient jusqu'à présent en retard dans le domaine des hybrides, de la pile à combustible et de l'hydrogène. Ils préféraient développer des diesels performants.

Mais PSA (Peugeot Citroën) vient de dévoiler, en partenariat avec le CEA (Commissariat à l'Energie Atomique), un modèle de pile à combustible très performante. Capable de fournir une puissance de 80 kW (110 ch.), cette PAC est particulièrement compacte. Il faut souligner le fait que la recherche progresse très rapidement dans le domaine des piles à combustibles : en 2 ans, leur puissance a augmenté de 20% en diminuant leur masse de 30% ... On verra très certainement dans les mois ou les années à venir des concepts de voiture à PAC aussi performantes voire plus performantes que les voitures à MCI (Moteur à Combustion Interne), et ce tant pour l'autonomie que pour la vitesse et l'accélération. 

Rappelons à cette occasion que la PAC est particulièrement bien adaptée à l'automobile ; en effet, elle a un rendement quasiment constant quelle que soit la charge, ce qui n'est pas du tout le cas d'un MCI qui n'atteint son rendement maximum que pour un point de fonctionnement précis. De plus, les moteurs électriques qu'alimente la PAC ont pour caractéristique de délivrer un couple très élevé au démarrage.

Ajoutons que PSA a également inauguré un centre de recherche dédié à la PAC et à l'hydrogène, employant 50 personnes.

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05 janvier 2006

Bilan mensuel. Bienvenue sur Energie Verte

minilogo_evBienvenue sur Energie verte, le site de l'efficacité énergétique et des énergies alternatives.

A chaque fois que l'on parcourt un kilomètre en voiture, il faut 40 heures à un arbre pour absorber le CO2 que l'on à émis ...
C'est pourquoi il faut développer les solutions alternatives ; biocarburants, cogénération, hydrogène vert, énergie éolienne, hydrolienne, solaire ... sont autant de réponses pour sortir progressivement de l'ère du pétrole.
Pour toute réaction ou information supplémentaire, n'hésitez pas à poster un commentaire ou à contacter l'auteur.

Nouveau sur Energie Verte :
mise en ligne d'une vidéo du moteur Stirling en action
mise en ligne d'une vidéo du lifter en action
mise en ligne de nouvelles photos dans l'album sur le moteur Stirling

Bonne visite, et meilleurs voeux pour 2006 !

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Exploiter l’énergie des vagues

vague1On parle souvent d’énergie éolienne, d’énergie solaire … mais il existe une multitude d’autres énergies renouvelables.

Parmi elles, l’énergie houlomotrice. Il s’agit de convertir, grâce à des flotteurs, l’énergie mécanique des vagues en énergie électrique.

Une équipe du laboratoire de mécanique des fluides de l’école centrale de Nantes a développé un prototype du Searev, une bouée capable de capter l’énergie de la houle.

Ce système n’est pas à confondre avec les hydroliennes, sortes d’éoliennes sous-marines qui utilisent l’énergie des courants marins.

Le Searev (Système autonome électrique de récupération de l’énergie des vagues) est une bouée flottante en forme de large flèche, longue de 25 m et large de 13 m pour 15 m de tirant d’eau. A l’intérieur est installé un système de récupération du mouvement de la houle par mouvement pendulaire d’une sorte de roue lestée. L’opération est gérée par ordinateur pour être optimale. Cette roue constitue une pompe hydraulique, permettant d’actionner un moteur hydraulique entraînant un alternateur.

Le Searev a une puissance maximum de 500 kW, soit 4 fois moins qu’une éolienne standard de 2 MW. Mais en terme de surface, une ferme houlomotrice peut produire 20 MW par km² contre 6 MW par km² pour un parc éolien offshore. Ainsi, un carré de 9 km de côté équipé de ce système remplacerait une centale nucléaire. De plus, ce système pourrait bien être plus simple et moins coûteux à installer que des éoliennes offshore. Le potentiel de cette énergie est élevé : un "gisement" potentiel de 2500 watts par mètre carré, contre 400 pour l'éolien et 150 pour le solaire.

Ce type d’installation, de la même façon que les éoliennes, doit fournir une puissance répondant à la demande, quelles que soient les conditions de vent ou d’agitation de la mer. Ainsi, le problème, c’est que la météo ne suit pas les fluctuations de notre demande d’énergie ! Ainsi, lors d’un surplus de production par rapport à la demande (cela arrive surtout la nuit, où la demande en électricité est faible), on peut envisager d’utiliser l’électricité produite pour produire de l’hydrogène par électrolyse de l’eau. Cette solution sera intéressante notamment lorsque l’hydrogène se sera développé en tant que carburant.

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04 janvier 2006

Récupérer l'énergie perdue à l'échappement des moteurs thermiques

turbosteamerDans un moteur à combustion interne, seuls 30% de l'énergie contenue dans le carburant sont convertis en énergie mécanique. La part restante se partage entre le circuit de refroidissement pour 30% et l'échappement pour 40% environ. Classiquement, les températures des gaz d'échappement atteignent 500°C. Il est envisageable de récupérer cette chaleur dans un moteur secondaire, qui la convertira en partie en énergie mécanique. Cette énergie supplémentaire serait gratuite puisque la chaleur de l'échappement serait autrement perdue. On obtiendrait ainsi une augmentation du rendement global du moteur, et une diminution de la consommation et de la pollution.

Les moyens de récupération de la chaleur sont d'une part les moteurs à combustion externe, d'autre part les cellules thermoélectriques. Les premiers ont un meilleur rendement, mais les secondes sont plus simples (mais pas moins chères) et ne possèdent aucune pièce en mouvement (donc peu d'entretien).

Un moteur à combustion interne peut être, entre autres, un moteur à vapeur ou un moteur Stirling. Si on veut un système léger, on peut s'en servir par exemple pour entraîner l'alternateur, voire les autres auxiliaires, afin que le moteur n'ait plus à les entrainer. Si on met en place un système de récupération plus lourd, on peut envisager d'apporter une puissance d'appoint au moteur thermique principal (à combustion interne) soit par l'intermédiaire de l'alternateur se comportant en moteur pour aider le moteur thermique, soit même par un nouveau moteur "hybride diesel (ou essence) / vapeur" qui utilisera la vapeur produite par récupération de l'énergie de l'échappement pour entraîner le véhicule.

Ce principe a été utilisé sur un prototype de locomotive, dans les années 1930 : la Kitson Still. Cette machine hybride diesel/vapeur consommait 5 fois moins qu'une autre locomotive et affichait un rendement supérieur à 40% ... Actuellement, BMW étudie un système basé sur le même principe.

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31 décembre 2005

Les huiles végétales pures, biocarburant utilisable dès aujourd'hui

sonnenblume1L'huile végétale pure (ou brute) est un biocarburant utilisable dès aujourd'hui dans les moteurs diesels, sans aucun risque jusqu'à une proportion de 30% en mélange avec le gazole. Moyennant quelques modifications, on peut rouler à 100% d'huile végétale, que l'on peut trouver à ... 0.06 € le litre ! Voire gratuitement si elle est issue de la récupération. Elle peut également être utilisée dans une chaudière au fioul.

HVB_ENERGIE_ET_DEVELOPPEMENT.pdf
Plaidoyer pour l'utilisation des huiles végétales pures. Page de présentation des travaux de M. Yves Lubraniecki sur la défense des huiles végétales carburant.


Ce biocarburant n'arrange ni l'Etat, ni les grands pétroliers, car il est issu d'une production décentralisée, par les agriculteurs, et il ne requiert aucune transformation consommatrice d'énergie, contrairement au diester (EMHV). Pourtant cette production décentralisée minimiserait les besoins de transport, diminuerait le nombre de camions sur les routes, ...

Un moteur optimisé pour les HVB  existe, c'est le moteur ELSBETT. Son rendement atteint 40%, et il est capable de fonctionner indifféremment au gazole ou à l'huile végétale brute ... Sa mise en oeuvre sur le marché de l'automobile serait aisée dès aujourd'hui, mais les constructeurs et les pétroliers préfèrent investir dans l'hydrogène, qui permettra que ce soient encore les mêmes qui continuent à s'enrichir. Rappelons que les véhicules fonctionnant à l'hydrogène ont un rendement énergétique "du puits à la roue" souvent moins bon que les véhicules actuels, en raison du coût énergétique de la production de ce gaz ... Et que l'hydrogène sera pendant plusieurs décénies produit à partir de ressources FOSSILES.

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27 décembre 2005

Le Moteur Stirling

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Le moteur Stirling, souvent appelé moteur à air chaud, est un moteur à combustion externe ; il est capable de tourner grâce à la différence de température entre une source chaude et une source froide situées à l'extérieur du moteur. C'est le même principe que pour un moteur à vapeur, sauf que le moteur Stirling n'utilise ni eau ni vapeur mais uniquement un gaz, le plus souvent, l'air.

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Vidéo en fonctionnement du moteur Stirling construit par Energie Verte. Nécessite le DivX Player.

Les moteurs Stirling ont un rendement potentiellement bon (les meilleurs atteignent 45%). On peut les utiliser pour la cogénération d'eau chaude et d'électricité, par exemple. Ils sont silencieux, nécessitent peu d'entretien, et ils sont propres car la combustion externe permet non seulement d'utiliser une large palette de carburants, mais aussi parce qu'une combustion externe est plus facilement maîtrisable pour obtenir une combustion complète ne dégageant que de l'eau et du CO2. Mais à puissance égale, il sont plus encombrants que les moteurs à combustion interne, car ils nécessitent une grande surface pour le radiateur de refroidissement, qui constitue la source froide.

Le principe de fonctionnement d'un moteur Stirling est la dilatation des gaz portés à haute température. Un cylindre comporte à une extrémité une surface chaude, et à l'autre extrémité une surface froide. Un pièce appelée déplaceur permet comme son nom l'indique, de déplacer le gaz contenu dans le cylindre pour l'amener soit en contact avec la source chaude, soit soit en contact avec la source froide. Chauffé le gaz se dilatte et pousse le piston moteur ; refroidi, le gaz se contracte et le piston moteur revient en position.

Energie verte a construit un modèle de moteur Stirling ; il tourne grâce à la chaleur d'une simple bougie. Il est construit essentiellement avec des matériaux de récupération, et n'a nécessité aucun outillage lourd tel qu'un tour ou une fraiseuse. Il est possible de réaliser des moteurs Stirling à faible différence de température ; ceux ci sont capables de tourner grâce à la chaleur de la main, au froid créé par l'évaporation de l'eau, ou encore  à l'énergie solaire.

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26 décembre 2005

Lifter

Le lifter est un objet capable de voler à quelques centimètres du sol lorsqu'il est alimenté en haute tension. Energie Verte a réalisé un modèle de lifter. De forme triangulaire, il est constitué d'une armature en bala, d'une cathode en aluminium, et d'une anode en fil de cuivre. L'objet doit être alimenter avec de la haute tension pour léviter. Pour ce modèle, c'est un moniteur d'ordinateur qui a été utilisé pour produire la tension de 30 kV nécessaire.

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Vidéo du lifter Energie Verte en action. Nécessite le DivX player.

Une alimentation dédiée est enphoto_005 cours de réalisation ; elle permettra de faire varier la tension d'alimentation, tout en étant bien plus compacte qu'un moniteur d'ordinateur.

Pour faire voler cet objet de quelques grammes, une puissance d'environ 20 Watts est nécessaire. Mais il est intéressant de noter que si on utilise une alimentation en signal carré à 70 Hz, et non plus en continu, on divise par 2 la consommation d'électricité.

Le principe du lifer est un mode de propulsion potentiellement propre car fonctionnant uniquement à l'énergie électrique. Bien sur, l'état actuel des travaux sur ce mode de propulsion est loin de permettre une application concrète de ce système au jour d'aujourd'hui.

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17 décembre 2005

Rouler à l'huile végétale

ll est possible, dès aujourd'hui, de rouler à l'huile végétale, avec les voitures d'aujourd'hui. Sans faire aucune modification, on peut utiliser 30% d'huile végétale brute (HVB) en mélange avec 70% de gasole, avec un moteur diesel. Cela marche très bien, sauf sur les dernières génération, type HDI, où l'HVB est mal supportée par les injecteurs.

Le principal problème des HVB est d'être plus visqueux que le gasole, et de figer facilement aux basses températures. En règle générale, il est plus facile de rouler à l'HVB en été qu'en hiver, car il suffit de chauffer un peu l'huile pour qu'elle retrouve la même viscosité que le gasole. Ainsi, il est possible, par temps chaud, de rouler à 100% HVB sans aucune modification.

Pour rouler avec de fortes proportions d'HVB par n'importe quel temps, quelques modifications doivent être apportées. Le principe est d'apporter au moteur une huile suffisement préchauffée pour posséder une viscosité suffisement faible pour être parfaitement supportée par le moteur. Pour se faire, il existe classiquement 2 solutions, et une troisième qui est en fait la combinaison des 2 premières.

La première solution est d'installer un système de bicarburation, de façon à ce que l'on puisse rouler au choix au gasole ou à l'huile végétale. De cette façon, on démarre au gasole, puis, quand le moteur a atteint sa température de régime permanent, on peut passer sur le fonctionnement à l'HVB. On repasse en mode gasole quelques instants avant d'arrêter le moteur, pour nettoyer les injecteurs.

La deuxième solution est d'ajouter un système de préchauffage dans le réservoir, afin de rendre l'huile suffisement fluide. Ce système est forcément au moins partiellement électrique, car il doit fonctionner avant l'allumage du moteur, quand l'électricité est la seule énergie disponible à bord.

La troisième solution combine efficacement les deux autres : il s'agit d'installer un système de bicarburation et un système de préchauffage de l'huile. Le système de préchauffage n'est pas une résistance électrique mais un serpentin où circule de l'eau de refroidissement du moteur. Ce serpentin vient du radiateur, et la température de l'eau est ainsi déjà régulée par la vanne thermostatique déjà existante, à une température de 80°C environ. On démarre au gasole, puis, une fois le réservoir d'HVB chaud, on passe sur le fonctionnement HVB.  Avant l'arrêt du moteur, on repasse quelques instants en mode gasole.

Avec ce système, on peut envisager une vanne permettant d'obtenir n'importe quel mélange d'HVB et de gasole. On peut rouler sans problème avec 100% HVB.

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03 décembre 2005

Résumé sur les biocarburants

           I.      Les 4 types de Biocarburants

Le monde des biocarburants se décompose en 4 grandes familles : l’HVB (Huile Végétale Brute), le biodiesel (EMHV), le bioéthanol (ETBE), et le biométhanol. HVB  et biodiesel sont utilisés dans les moteurs diesel, et bioéthanol et biométhanol sont utilisés dans les moteurs essence. Ces 4 carburants verts permettent des réductions des émissions de GES et aussi de NOx.

-        L’HVB est produit à partir de colza ou de tournesol. On extrait l’huile de la graine par pression à froid, ce qui permet d’extraire environ 85% de l’huile contenue dans la graine, avec éventuellement un procédé d’extraction chimique pour extraire jusqu’à 99% de l’huile. L’huile est ensuite purifiée, puis directement utilisée dans un moteur diesel qui doit subir quelques modifications. Le procédé co-produit des tourteaux, qui peut être vendu comme aliment pour le bétail. Le tourteau est de meilleure qualité si il reste une petite quantité d’huile à l’intérieur, c’est à dire si on n’utilise que la pression à froid comme procédé d’extraction. Par contre, au delà d’un certain niveau de production d’HVB, le marché des tourteaux devait rapidement être saturé, et donc l’écoulement de ce sous-produit deviendrait un problème. On produit environ 1,5 t de tourteau pour 1 tep d’HVB. Les moteurs, pour accepter les HVB, doivent être modifiés ; en effet, les HVB ont une viscosité variant en fonction de la température, et figent par grand froid ; d’autre part, la combustion est plus chaude et l’indice de cétane est plus faible que pour le gazole. Conçus spécifiquement ou adaptés, les MCI utilisant de l’HVB doivent permettre un contrôle de la viscosité de l’huile en fonction de la température. Classiquement, on a des systèmes de préchauffage de l’huile afin de garantir une viscosité suffisamment faible ; on peut se servir du circuit d’eau de refroidissement pour préchauffer l’huile, dans ce cas on installe un système de bicarburation permettant de démarrer au gazole et ensuite de switcher sur l’HVB. Dans ce cas, on peut rouler jusqu’à 100% HVB. Sans ces modifications, on peut, sur un moteur ancien, utiliser jusqu’à 30 % d’HVB, mais en aucun cas sur un moteur récent type HDI. Les HVB ont pour avantages : une production sans transformation chimique, un bon rendement énergétique global, un pouvoir lubrifiant dans le moteur. Ils ont pour inconvénients : un faible indice de Cétane, une odeur de friture lors du fonctionnement, un rendement par hectare réduit.

-        Le Biodiesel (EMHV) provient, comme les HVB, du tournesol ou du colza. Après pressage, on récupère et on filtre l’huile, puis on opère une réaction d’estérification, avec un léger apport de soude et de méthanol (ou d’éthanol). La réaction peut se faire sans soude, mais elle est alors beaucoup plus lente. Le biodiesel peut être consommé dans n’importe quel moteur diesel, sans modification majeure, même dans les diesel de nouvelle génération. Par contre, on l’utilise rarement à 100%, bien que ce soit possible. Classiquement, on a un mélange 50-50 avec du gazole dans les flottes captives. Le bilan énergétique est un peu moins bon que pour l’HVB, car la réaction d’estérification nécessite de l’énergie. Le Biodiesel a pour avantages : une absence d’odeurs, une utilisation possible sans modification sur les moteurs, un rendement énergétique correct, un pouvoir lubrifiant. Il a pour inconvénients : un rendement par hectare réduit. Le Biodiesel peut également être produit à partir de gaz de synthèse, lui même obtenu par gazéification de biomasse (procédé BTL). Le rendement surfacique est alors bien meilleur, car on utilise la totalité de la plante et non pas la graine uniquement. L’EMHV peut enfin être produit à partir d’algues, composées à 50% en masse d’huile, le rendement surfacique est alors jusqu’à 20 fois supérieur à celui obtenu avec du colza.

-        L’éthanol est utilisé dans les moteurs essence, à hauteur de 15% dans un moteur non modifié et jusqu’à 85% dans un moteur adapté (flex-fuel au Brésil). Il peut être produit à partir du blé, de la canne à sucre, ou de la betterave. Sous nos latitudes, la production à partir de canne à sucre n’est pas envisageable, mais c’est elle qui est utilisée avec grand succès au Brésil. L’éthanol possède un fort indice d’octane, mais une faible capacité énergétique : les 2/3 de celui de l’essence. Il possède un effet nettoyant sur le moteur. Pour l’utiliser à plus de 15% dans un moteur, il faut modifier les réglages (injection, avance à l’allumage, …) et mettre des durites résistant à l’attaque de l’alcool. Utilisé tel quel, l’éthanol pose un problème du fait de sa forte volatilité, qui entraîne l’émission de polluants avant même la combustion. Pour remédier à ce problème, l’ETBE à été développé. Mais sa production nécessite de l’énergie, ainsi l’efficacité énergétique final est elle plus faible. L’efficacité énergétique est acceptable lorsqu’on valorise le reste de la plante (la partie qui ne produit pas d’alcool), par exemple en s’en servant pour alimenter en chaleur le procédé de distillation. L’éthanol est produit par fermentation aérobie et distillation, mais une autre méthode est à l’étude : l’hydrolyse enzymatique ; ce procédé permettrait de produire de l’éthanol à partir de taillis à croissance rapide. Les rendements pourraient être améliorés de façon significative avec ce procédé. L’éthanol a pour avantages : un rendement à l’hectare élevé, un fort indice d’octane. Il a pour inconvénients : un faible rendement énergétique, une modification des moteurs nécessaire pour rouler à 100%.

-        Le biométhanol n’est pas encore produit à grande échelle. Il est issu de la filière BTL. Après gazéification de la biomasse, est obtenu par synthèse du gaz obtenu. Doté d’une combustion très propre, il pourrait être produit avec des rendements élevés, étant issu de l’efficace filière BTL.

       II.      Un mot sur le BTL

Le BTL (Biomass To Liquid) consiste à gazéifier par chauffage, de la biomasse (bois, feuilles, tiges, colza, …). De multiples variétés de plantes peuvent être utilisées. On obtient du gaz de synthèse (CO + H2), qui est ensuite transformé en méthanol. A partir du méthanol, on peut obtenir du gasoil de grande qualité, extrêmement propre et performant. Le principal avantage du BTL est de valoriser la totalité de la plante en biocarburant, et non pas uniquement les graines par exemple. On obtient ainsi des rendements à l’hectare élevés, de l’ordre de 5 fois supérieurs à la filière classique. Pour apporter la chaleur nécessaire à la gazéification, on brûle une partie de la biomasse, classiquement, ou bien, selon un nouveau procédé à l’étude, on utilise des arcs électriques. Ce dernier procédé permet de transformer la totalité de la biomasse en biocarburant ; par contre, elle impose l’utilisation d’énergie électrique.

   III.      Un mot sur les algues

Il existe des algues capables de produire de l’huile une fois pressées, et donc du biodiesel, comme on le ferais avec du tournesol ou du colza. La différence, c’est que l’huile compose 50% de la masse de ces algues, alors que le colza n’est composé que d’environ 15% d’huile. De plus, alors qu’une seule récolte par an n’est possible pour les plantes habituelles, ont peut récolter les algues plusieurs fois par semaine, en raison de leur croissance très rapide. Ces algues monocellulaires sont bien adaptées à la culture dans des réacteurs automatisés, qui ont l’apparence de panneaux solaires verts à structure tubulaire. Ces organismes absorbent une grande quantité de CO2 ; leur production est maximale lorsqu’on leur injecte  une grande quantité de CO2, et lorsqu’ils bénéficient d’un fort rayonnement solaire. Ces algues sont même capables de se nourrir et ainsi de valoriser certains déchets. Il est possible de coupler une unité de production de biocarburant à partir d’algues à une industrie émettrice de CO2, une centrale électrique au charbon par exemple. Dans ce cas, les algues absorbent le CO2 produit par la centrale, et purifient ainsi les gaz rejetés.

Cela revient à avoir un carburant totalement propre, sans émissions de CO2, car le CO2 rejeté par le moteur lors de la combustion du biocarburant est celui qui a été absorbé par les algues dans les rejets de la centrale. On estime qu’une superficie de 200 000 ha placées dans le désert produiraient 28 milliards de litres de biocarburant chaque année, soit la totalité de la consommation des Etats-Unis ! Le rendement à l’hectare est de l’ordre de 90 fois celui du colza, et 25 fois celui de la Betterave !

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