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Biocarburants
Etat des lieux
Zoom sur la voie thermochimique
Thierry MELKIOR
CEA
1
Pourquoi les biocarburants ?
2
Contexte énergétique mondial
3
Contexte énergétique
4
Contexte énergétique
Effet de serre
(CO2)
Ressources fossiles
Demande en énergie
(carburants)
5
Le défi énergétique : quelles solutions ?
o Limiter la consommation énergétique
o Augmenter la part des énergies renouvelables
25
D’après les objectifs fixés dans l’Union Européenne
%
20
part des énergies renouvelables…
part des biocarburants France
15
10
5
0
2009
2010
2020
6
Les filières de
biocarburants
7
1ere génération
…Les agrocarburants
8
1ere génération
Aujourd’hui : réalité industrielle
Incroporation dans essence (éthanol jusqu’à 7%, ETBE jusqu’à 15%), SP95-E10
Biodiesel : incorporation de diester jusqu’à 7% dans le gazole
Usine d’éthanol de ble
Roquette a Beinheim, Alsace
Usine de production de diester
du Meriot, Aube (Prolea)
9
1ere génération
10
2eme génération
Aujourd’hui : stade de développement de pilotes
Il reste quelques points techniques à résoudre
Intégration énergétique : réduire les coûts de production
11
3eme génération
Aujourd’hui : Semble très prometteur
Etudes de laboratoire (biologie, génie chimique)
Evaluations technico-économiques
12
La biomasse
13
La biomasse
Biomasse humide
Biomasse sèche ou lignocellulosique
Produits de
l’agriculture
traditionnelle
Bois
(bûches, granulés, plaquettes…)
(betterave, canne à sucre)
Produits de
l’agriculture
traditionnelle
Sous-produits du bois
(branches, écorces, sciures,
palettes…)
(céréales, oléagineux)
Sous-produits de
l’industrie
Résidus agricoles
(pailles…)
(boues issues de la pâte à
papier, pulpes de raisin…)
Déchets organiques
Plantations énergétiques
(boues d’épuration, ordures
ménagères, fumier…)
(miscanthus, peuplier…)
Biomasse algale
Microalgues
14
Propriétés physico-chimiques biomasse lignocellulosique
Valeurs moyennes d’après étude CEA réalisée sur 80 échantillons issus du Nord-Est de la France (2007-2008)
Mesures
Unités
Bois forêt
Résidus
agricoles
Densité apparente
-
0,27
0,05
Teneur en eau
%m
10-50
10-70
Cendres
%ms
1,4
4,6
Matières volatiles
%ms
86,9
87,4
C
%ms
49,7
47,0
H
%ms
5,9
5,8
O
%ms
42,5
42,1
PCI sur sec
MJ.kg-1
18,4
17,3
 Densité très faible surtout pour
résidus agricoles
 Teneur en eau variable (durée de
séchage, période de récolte)
 Cendres : faible pour bois / + élevé
pour résidus agricoles
 Matières volatiles : Presque toute
la masse
 C6H9O4
(*) moyenne : conductivité 2 fois plus élevée le long des fibres
(**) d’après la littérature
15
Le potentiel de biomasse lignocellulosique en France
Seules les ressources non valorisées à ce jour sont comptées ici !
Potentiel (MTep)
Estimation basse
Estimation haute
Bois (rémanents, produits en fin de vie)
5,5
11,6
Résidus agricoles
1,4
8,7
Cultures énergétiques
0
8,2
Déchets
0
2
Total
~7
~30
Ce qui pourrait représenter jusqu’à :
–Environ 10% de la consommation française d’énergie primaire
–Environ 40% de la consommation française de carburant
16
Zoom sur la voie
thermochimique
17
La gazéification : étapes du procédé
18
Gazéification (biomasse sèche)
Chaleur,
électricité
Biomasse
Prétraitement
Gazéification
Posttraitement
Moteur turbine
à gaz
cycle combiné
Synthèse
Carburant liquide
(Diesel Fischer-Tropsch,
méthanol)
Carburant gazeux
(SNG)
Carburant gazeux
(H2PAC)
19
Gazéification (biomasse sèche)
Biomasse
Prétraitement
Gazéification
Posttraitement
Synthèse
20
Le prétraitement
 Matière première :
–
–
Plaquettes forestières
Paille ou autres produits agricoles : fagots ou en vrac
 Séchage  humidité visée : 15-20 %
 Broyage  granulométrie visée : fonction du réacteur de gazéification
–
–
Lit fluidisé : 1-50 mm
Flux entraîné : 100-300 µm
 décomposition thermique sous gaz neutre
Transformation
T (°C)
Vitesse de
chauffage
Produits
Réacteur
Avantages / inconvénients
Pyrolyse rapide
500
>1000°C.s-1
>75% liquide
Lit fluidisé,
double vis,
cône rotatif,
ablatif…
Production d’un liquide
facilement transportable et
injectable
Coûteux
Pyrolyse lente
400500
~5°C.min-1
30% gaz
30%liquide
30%solide
Four tournant
Broyage fin du solide facilité
Transformation bien maîtrisée
Pas décentralisable
Torréfaction
200300
~5°C.min-1
80% solide
20%
gaz+liquide
Four
tournant, à
plateaux ?
Broyage fin du solide facilité
Perte de masse limitée
Pas encore industrialisée
21
Gazéification (biomasse sèche)
Biomasse
Prétraitement
Gazéification
Posttraitement
Synthèse
22
La gazéification
Biomasse C6H9O4
Humidité : 15-20%
Séchage
Biomasse C6H9O4
Humidité : 0%
T=100-200°C
Très rapide
Résidu solide
( surtout C)
Gazéification
Très lent
Matières volatiles :
•Goudrons
•Gaz (H2, CO, CO2, CH4, H2O)
+ H2O
Pyrolyse
T=800-1500°C
H2, CO
+ O2
CO, CO2
Combustion
Lent
+ composés inorganiques :
H2S, SO2, NH3, HCN, HCl,
HF, KCl…
+ particules
+ suies
23
Réacteur à lit fluidisé
Lit Fluidisé
Température
800-1000°C
Pression
1-10 bars
Taille particules
1-50 mm
Avantages :
Atmosphère gaz
H2O, O2
- Technologies variées et matures pour la biomasse :
Temps de séjour solide ~ minutes
échelle industrielle
atteinte pour les applications
1-100 MWé
cogénération Puissance
- Particules « grosses » (cm) : préparation et injection
simples
Inconvénients des LF :
- Températures de gazéification <1000°C => Gaz contenant
encore CH4, CO2, Gaz chargé en goudrons
- Fonctionnement en pression pas toujours possible ( selon
techno)
- Pb d’agglomération de lit pour certaines biomasses
- Pas adapté pour les tailles importantes
24
Réacteurs à flux entrainé
Flux Entraîné
Température
1200-1500°C
Pression
5-80 bars
Avantages du RFE :
Taille particules
<0,2 mm
- Haute température (1300°C)=> équilibre
Atmosphère gaz
H2O+O2
thermodynamique
Temps de séjour solide ~ secondes
- Gaz
presque exclusivement CO + H2, Craquage
Puissance
>100 MWé
des
goudrons
- Fonctionnement en Pression (20-80 bars)
- Cendres fondues et récupérées dans la zone de trempe
- Adapté pour les installations centralisées ( grande taille :
500 MWth et +)
Inconvénients du RFE :
- Injection de liquide, de slurry ou de poudre (300µm) =>
préparation : Broyage fin (coûteux)/Pyrolyse (huile )/Torrefaction +
Broyage
- Pas adapté pour installations décentralisées ( petites et
moyennes tailles < 100 MWth)
25
Gazéification (biomasse sèche)
Biomasse
Prétraitement
Gazéification
Posttraitement
Synthèse
26
Le post-traitement
Bois
déchets bois
Cultures
énergie
Déchets
agricoles
C6H9O4 + 2 H2O => 6 CO + 6,5 H2
C6H9O4
Gaz issu de la gazéification : H2, CO (H2/CO=1) + impuretés
Nettoyage des impuretés selon les
spécifications du post-traitement
Ajustement du rapport H2/CO
 2 (Fischer-Tropsch, méthanol)
 3 (méthanation)
27
Le post-traitement : nettoyage des impuretés
Les étapes en aval (synthèse) imposent l’élimination + ou – poussée :
 Des particules et aérosols
 Des goudrons
 Eventuellement du CH4 et
des hydrocarbures légers
 Des composés inorganiques :
H2S, SO2, NH3, HCN, HCl, HF, KCl…
Cyclones, filtres
Destruction haute Tre, catalyse, laveur
Filtre, laveur
Installations industrielles encrassées par la
condensation de goudrons (photos ECN).
28
Le post-traitement : ajustement ratio H2/CO
C6H9O4
Bois
déchets bois
Cultures
énergie
CnH2n(+2)
Déchets
agricoles
C6H9O4 + 2 H2O => 6 CO + 6,5 H2
1ère solution : water gas shift
n CO + 2n H 2 => CnH2n(+2) + nH2O
On enlève du CO (6  4,5) pour créer H2 (6  9)
1,5 CO + 3 H2O => 1,5 CO2 + 3 H2
On perd 25% du carbone en CO2
2ème solution : hydrogène
On garde nos 6 CO… et on ajoute 6 H2
On garde tout le carbone dans le
carburant !
29
Gazéification (biomasse sèche)
Biomasse
Prétraitement
Gazéification
Posttraitement
Synthèse
30
Carburants de synthèse
A partir d’un gaz CO + H2 on peut synthétiser :
– Méthanol (0,79 ton/m3 ; PCI = 19,8 MJ/kg)
– Ethanol (0,79 ton/m3 ; PCI = 29,7 MJ/kg)
– DiMéthylEther (0,67 ton/m3 ; PCI = 28.4 MJ/kg)
– Diesel Fischer-Tropsch (0,78 ton/m3 ; PCI = 44 MJ/kg)
– méthane (gaz) via une unité de méthanation (besoin de H2/CO =3)
Le diesel Fischer-Tropsch est intéressant car directement utilisable dans les moteurs
actuels
Synthèse Fischer-Tropsch
– Procédé ancien (années 30)
– Chaînes CnH2n à partir de CO et H2
– H2/CO=2 ; T = 250 °C ; P = 25 bars
– Sous-produits : eau et chaleur basse T
– 3 usines dans le monde
pertes
off gas
C1-C4 Naphta
C5-C9
Diesel – kérosène
C10 – C20
31
Situation et acteurs de la
gazéification
32
Gazéification : situation actuelle
 Technologie ancienne appliquée à l’échelle industrielle au charbon
– Utilisation grande échelle : périodes de pénurie de pétrole
 Allemagne : 2ème guerre mondiale
 Afrique du Sud : Apartheid
 Applications multiples de maturité différente
– Majorité des installations : production électricité et chaleur
– Industrialisation à court-terme (2015-2020) : BtL, DME, SNG
– A moyen-long terme (2030?) : H2
33
Les verrous actuels de la gazéification
 Etapes individuelles maîtrisées dans le cas du charbon (ou gaz naturel)
Intégration dans le procédé
 Verrous énergétiques :
Application aux biomasses
rendement global du procédé
– efficacité des différentes étapes
– Intégration énergétique des étapes dans le procédé
 Éviter les montées et descentes de T et P
Ex : faire la gazéification à la même pression que la synthèse
 Verrous technologiques :
– Choix du réacteur optimal / application
– Résolution des problèmes associés
 Injection de biomasses sous forme pulvérisée
 Corrosion des installations…
34
Acteurs de la gazéification
 Europe : leader mondial
 Autres pays impliqués :
– USA, Chine : surtout orientés charbon
– Brésil…
Centrale FT Güssing, Autriche
 Allemagne : leader européen
 Autres pays en pointe : Pays-Bas, Pays nordiques (Suède, Finlande)
 France : en retard…mais volonté récente d’implication + forte
 Rejoint les pays en pointe
 Intérêt récent de nombreux pays : Espagne, Italie, Portugal, Grèce…
35
Principaux acteurs en Europe
 Plusieurs grands centres de
recherche appliquée
+ universités
Centre de
recherche
Varkaus
Pitea
Unité
pilote
VTT
 Soutien aux unités pilotes
+ universités
ECN
Güssing
CHOREN
BioTfueL
CHOREN
Varkaus
Bure
CEA,
CIRAD,
CNRS,…
IEC Freiberg
Bioliq
KIT
Güssing
Gaya TUVienna
CENER,
CIEMAT
36
Principaux projets pilotes en Europe
Pilote
Bioliq
BioTfueL
Bure
CHOREN
Gaya
Güssing
Pitea
Varkaus
Allemagne
France
France
Allemagne
France
Autriche
Suède
Finlande
Application
FT
DME
FT
FT
FT
SNG
cogénération
SNG
BtL
DME,
méthanol
BtL
Technologie
Flux entraîné
(+prétraitement par
pyrolyse slurry)
Flux
entraîné
Flux
entraîné
Flux entraîné
Lit fluidisé
(double)
Lit fluidisé
(double)
Flux
entraîné
Lit fluidisé
Echelle
(t biomasse
sèche/h)
1 (slurry)
3
10
1 a-plant
10b-plant
100s-plant
0,5
1-2
1 (liqueur
noire)
2-3
Industriels
associés
CAC GmbH
Lurgi
MUT
Axens
Sofiproteol
Total
Uhde
Non
encore
défini
CHOREN
Daimler
GdF-SUEZ
Repotec
UCFF
AEEnergietech
nik
Repotec
CTU
Volvo
Chemrec
Stora Enso
Neste Oil
R&D associée
KIT
CEA, IFP
CEA
IEC Freiberg
CEA, FCBA,
CNRS
TUVienna
Etat
d’avancement
En construction
Projet
démarré en
2010
En cours
d’étude
a-plant2002
b-planten
cours
s-plant ?
Projet
démarré en
2010
En
fonctionnement
depuis 2002
Pays
Ressources
Energéticien
Papetier
Pétrolier
Motoriste
Chimiste
VTT
2010
Démarrage
en 2009
 Intérêt fort pour les carburants liquides et gazeux
 Industriels de domaines différents
37
Les principaux acteurs du domaine en France
 De nombreux acteurs…
…Mais une communauté restreinte
 Rôle des régions (Pôles de
compétitivité)
 Centre
 Champagne-Ardennes
 Languedoc-Roussillon
 Lorraine
 PACA
 Rhône-Alpes…
Renault EdF
INRA
Véolia
Total
GdF-Suez GIE-Arvalis ONIDOL
Air Liquide UTC
CEMAGREF
AXENS
CNRS Orléans
Sofiproteol ONF
UCFF
CNRS Nancy
IFP
FCBA CEA
Europlasma
Ressources
Procédés
R&D
LGC
EMAC
CIRAD
Industriels
38
Bilan économique,
énergétique & environnemental
39
Les Rendements pour la gazéification de biomasse et
synthèse FT
Procédé
Rdt masse (%)
Carbone
Rdt énergie (%)
C10+
Électricité injectée
(Mwe)
Lit Fluidisé seul
7-11
20-26
~ -7
(produit)
Lit Fluidisé + Étage HT avec recyclage
partiel des sous produits (naphta)
15-19
20-26
~66
Réacteur à flux entraîné autothermique
avec recyclage des sous produits
16-20
39-45
0
Réacteur à flux entraîné plasma avec
recyclage des sous produits
34-38
23-29
~205
Source : Les biocarburants, D. Ballerini
Le procédé optimal dépend de l’objectif :
edition Technip 2011
– Maximiser rendement masse  diminution rendement énergie
– Fonctionner sans apport d’énergie externe  diminution rendement masse
40
Bilan économique
Les coûts de production de la
2G restent encore peu
attractifs.
Source : “Biofuels: is the cure worse than the disease?”, Round table on sustainable
development, OECD, 2007
41
Carburants et gaz à effet de serre (GES)
Source : “Well-To-Wheel analysis of future automotive fuels and powertrains in the European context, WTW report, 2007
2G
1G
2G
1G
CO2 émis (g/km)
Carburants 1G et 2G : gain significatif sur les émissions GES
Gain carburants 2G >> gain carburants 1G
42
Biocarburants 2G : les dangers
Mauvaises pratiques forestières
Coupe « à blanc » avec extraction de toute la biomasse, Nouvelle Ecosse, Canada.
(source Greenpeace)
43
Biocarburants 2G : les dangers
 Le « deserto verde » au Brésil
44
Eucalyptus forest for paper manufacturing at Aracruz
Celulose in Barra do Riacho, Brazil Photograph: Paulo
Fridman/Corbis
45
Merci de votre attention
46
La biomasse sèche : inventaire du potentiel français
Seules les ressources non valorisées à ce jour sont comptées ici !
CEA Hyp. Hyp.
2000 Basse Haute
PLAQUETTES FORESTIERES
Rémanents (2) ; Eclaircies de plantation (2) ; Taillis (potentiel 50 Mm3) (1)
DECHETS DE 1ère et 2ème TRANSFORMATION (1)
4
7
8
10
2
4
10
1
8
6
0
3,5
TOTAL sans les déchets ménagers (Mtep) 32
10
20
Écorces, délignures, sciures (Non utilisés) ; Copeaux, chutes, rebus (Mal utilisés)
DECHETS INDUSTRIELS BANALS (3)
3
5
40 Mt dont 25% disponibles (bois en fin de cycle)
RESIDUS AGRICOLES (2),(4)
Paille et tiges de céréales, mais et oléagineux, taille, noyaux, coquilles,… 43 Mt
dont utilisables
CULTURES ENERGETIQUES (2),(4),(5)
Taillis à courte révolution (peupliers,eucalyptus, saules) ; Plantes herbacées
(canne de Provence, céréales)
DECHETS ORGANIQUES (OM, boues….) (3)
20 Mt dont 60% disponibles
(1) X. DEGLISE, J. LEDE, Entropie n° 94 (1980)
20 Mtep : – 8% de la consommation française d’énergie primaire
R. DUMON
– 40% de la consommation française de carburant(2)
(3) Débat énergie et environnement SOUVIRON (1994)
(4) Rapport CEE (octobre 1998)
(5) Rapport Biomasse et Énergie (Haut Commissaire 2001)
Même en potentiel : pas de substitution à 100%
47
Contexte énergétique - France
Evolution de la consommation d'énergie finale en France
180
133
139
129
143
158
159
161
3
3
3
3 2%
49
50
50
51
54
59
67
67
68
68 42%
39 24%
160
140
Mtep
120
3
3
3
26
32
56
57
3
32%
42
34
100
80
161
60
40
20
48
47
38
39
39
39
40
1973
1979
1985
1990
2000
2003
2004
0
Industrie
Residentiel Tertiaire
Consommation d’énergie secteur
des transports : ~30 % de la
consommation totale
Transport
2005
Agriculture
Transport Routier : dépend à 95% des
énergies fossiles
Biocarburants : 1% de la consommation
totale de carburants
48
Les Enjeux du Secteur des Transports
Environnement
– Réduction des émissions de gaz à effet de serre
– Réduction d'autres polluants locaux rejetés par l’Automobile
Politique
– Réduction de la dépendance énergétique vis-à-vis du Pétrole
– Sécurité d’approvisionnement
Environnement
– Préservation de l’environnement
Ressources
– Gisements importants, diversifiés et équitablement répartis
– Valorisation complémentaire de ressources agricoles, forestières…
Social
– Aménagement du Territoire
– Création d’emplois dans les pays producteurs
49
Les propriétés physico-chimiques de la biomasse
Valeurs moyennes d’après étude CEA réalisée sur 80 échantillons issus du Nord-Est de la France (2007-2008)
Mesures
Unités
Bois
forêt
Résidus
agricoles
Densité apparente
-
0,27
0,05
Humidité
%m
10-50
10-70
Cendres
%ms
1,4
Matières volatiles
%ms
C


Densité très faible surtout pour résidus agricoles
Humidité variable (durée de séchage, période de récolte)
4,6

86,9
87,4
Cendres : faible pour bois / + élevé pour résidus agricoles
Principalement formées de CaO (bois) /SiO2 et K2O (agricoles)

Matières volatiles : Presque toute la masse
%ms
49,7
47,0

C6H9O4
H
%ms
5,9
5,8
O
%ms
42,5
42,1
N
%ms
0,2
0,8

Présence de N et S
S
%ms
0,19
0,15
Cl
mg/kg
152
2828
F
mg/kg
35
72


Présence de Cl surtout dans résidus agricoles
Présence de ppm de F et autres éléments (Si, Ca, K, Pb, Cr, Cu, Ni, Zn, B
Fe, Al, Mg, P, Mn…)
PCI sur sec
MJ.kg-1
18,4
17,3

PCI : Pouvoir Calorifique Inférieur
Environ la moitié du PCI gazole (42,6 MJ.kg-1)
Capacité
calorifique
J.kg-1.K-1
~1500
(**)
~1500 (**)
Conductivité
thermique (*)
W.m-1.K-1
~0,1-0,3
(**)
~0,03-0,1
(**)
 Matériau mauvais conducteur de la chaleur
Température de
fusion des cendres
°C
1100
1000
 Tfusion des cendres variable liée à leur composition
Gaz émis lors
de la
décomposition
thermique
Quantité d’énergie dégagée par la
combustion de 1 kg de biomasse,
l’eau étant à l’état vapeur
(*) moyenne : conductivité 2 fois plus élevée le long des fibres
(**) d’après la littérature
50
Gazéification (biomasse sèche)
Biomasse
lignocellulosique
Prétraitement
Moteur
Gazéification
Turbine à gaz
Gaz de
synthèse
(H2, CO)
Posttraitement
Moteur
turbine à gaz
cycle combiné
Rendement élevé
Exigences limitées sur le
gaz de synthèse
Compétition autres
applications?
Chaleur,
électricité
Cycle combiné
51
Bilan énergétique comparé des filières carburant
(sans valorisation des coproduits)
indiceénergétique I 
énergie restituée sous forme de carburant
énergie primaire totale fossile consommée
Diesel
EMHV de colza
Kérosène Filière trituration
ETBE
MTBE
Filière fermentation
3.0
1.9
Filière
gazéification
1.8
1.7
1.6
Ethanol
(betterave)
1.5
1.4
1.3
1.2
1.1
1.0
Ethanol
(blé)
0.9
0.8
0.7 0.6
Essence
 Pour toutes les filières I>1 sauf pour ETBE et MTBE
 ETBE et MTBE produits à partir d’éthanol et de produit fossile (isobutylène,
méthanol)
 EMHV : le meilleur indice parmi les carburants de 1ère génération
 Filière gazéification : indice nettement meilleur
52
Bilan économique
 Les coûts de production de la 2G restent encore peu attractifs.
Source : “Biofuels: is the cure worse than the disease?”, Round table on sustainable development, OECD, 2007
53