Transcript Pourquoi et comment les biocarburants

Pourquoi et comment les
biocarburants ?
Diane Thomas
Service de Génie Chimique
Faculté Polytechnique de Mons
Le contexte…
Historique:
• Produits agricoles comme carburants
 innovation récente
ex:
- huile d’arachide (1890)
- Bioéthanol (entre 2 guerres)
• Il y a 20 ans:   de la pollution de l’air
  du risque de pollution des sols
Développement au Brésil (années 70) et Europe (90)
• Actuellement:  contribution à la réduction des
émissions de gaz à effet de serre (GES)
Enjeux des biocarburants:
• Énergétiques
• Environnementaux
• Economiques
Contexte du
Développement durable
(Sustainable development)
= développement et organisation de la société actuelle conçus de
manière à ne pas pénaliser les générations futures
* ECONOMIES D’ENERGIE
* ENERGIES RENOUVELABLES
* ECONOMIES DE MATIERES
* MATIERES PREMIERES RENOUVELABLES
Quelques chiffres:
Consommation mondiale d’énergie:
 9 GTep / an
dont 3/4 d’énergies d’origine fossile
 1,6 Tep / habitant / an
France (2002): 95 106 T > 50 106 T de pétrole pour les
transports
Europe:
50 % énergie consommée = importée
(prédiction 70 % en 2030 dont 85 % pour le pétrole )
Secteur des transports:
énergie = pétrole (92 % en 1960  98 % en 2000)
Divers PROBLEMES « énergétiques »:
• Grande dépendance énergétique, notamment du secteur
des transports
• Disponibilité du pétrole = en déclin
• Sécurité d’approvisionnement fragilisée
• Demande en carburants sans cesse croissante
• Transports = Grands émetteurs de GES (risque de
changement climatique global)
• Concentration de polluants dans l’air
SOLUTIONS ?
 substituts du pétrole non émetteurs de GES:
• Biocarburants  conventionnels
 de synthèse
• Véhicules électriques
• Véhicules à l’hydrogène
 favoriser la pénétration des énergies
renouvelables
Diversité des énergies renouvelables:
 Bois
 Hydraulique
 Déchets urbains solides
 Biocarburants (France 2002: 2-3% énergies renouv.)
 Pompes à chaleur
 Résidus de récolte
 Géothermie
 Biogaz
 Solaire
 Eolien
 améliorer les performances énergétiques
Diminution de la consommation d’énergie par industries chimiques
Effort déjà consenti par industrie / production électricité:
 Kyoto (% 4 émissions pour 2020)
 possible seulement avec contribution des transports
La production des
biocarburants
Définition du BIOCARBURANT
« Carburant d’origine agricole/végétale »
Un combustible liquide (ou gazeux) utilisé pour le
transport et produit (après des traitements plus ou moins
importants) à partir de la biomasse
(cultures et végétaux non cultivés)
BIOMASSE
Fraction biodégradable des produits, déchets et résidus
provenant de l’agriculture, de la sylviculture, des déchets
industriels et municipaux
Les deux filières de production des Biocarburants
Moteurs DIESEL
Moteurs ESSENCE
Les deux filières de production des Biocarburants
Filière Huiles Végétales  EMHV = Biodiesel
ETBE
Filière Ethanol  Bioéthanol
BIODIESEL
BIOETHANOL
Plusieurs matières premières:
ETHANOL
ETBE
BIODIESEL
betteraves
cannes à sucre
blé
maïs
pommes de terre
cellulose
colza
tournesol
soja
palme
huiles de friture
graisses animales
Plantes sucrières
Plantes
amylacées
Plantes
oléagineuses
A. Filière Bioéthanol pour Moteurs Essence
A. Filière Bioéthanol pour Moteurs Essence
< SUCRES ?
• production directe de SACCHAROSE par plantes
sucrières
Extraction par diffusion
• production d’AMIDON par plantes amylacées qu’il est
nécessaire d’hydrolyser
-> GLUCOSE + MALTOSE
A. Filière Bioéthanol pour Moteurs Essence
Pulpe de betterave
Drèches de blé
vinasses
A. Filière Bioéthanol pour Moteurs Essence
Réactions de fermentation :
< sucres en c6 fermentescibles
C6 H12 O6  2 C2 H5 OH + 2 CO2
glucose
éthanol
C12 H22 O11 + H2 O  4 C2 H5 OH + 4 CO2
saccharose
éthanol
Processus anaérobie catalysé par enzyme produite par levure
Rendement:100 kg sucre ~ 50 kg éthanol
A. Filière Bioéthanol pour Moteurs Essence
Etapes de séparation de l’éthanol :
• Distillation usuelle
• Déshydratation (distillation azéotropique, tamisage
moléculaire, procédé membranaire)
A. Filière ETBE pour Moteurs Essence
Base pétrolière issue
des raffineries
C2 H5 OH + H2 C = C(CH3 )2  CH3 CH2 OC(CH3 )3
éthanol
isobutène
ETBE =
éthyltertiobutyléther
A. Filière ETBE pour Moteurs Essence
Un processus de fabrication pas si simple….!
Usine de production d'éthanol
(colonne de distillation d'éthanol à Arcis-sur-Aube)
B. Filière EMHV pour Moteurs Diesel
Huiles végétales: production mondiale = 80 MT / an
Huile estérifiée
= biodiesel
Huile brute
B. Filière EMHV pour Moteurs Diesel
B. Filière EMHV pour Moteurs Diesel
Pourquoi l’estérification ?
Usage difficile des huiles de colza tournesol brutes
(très forte viscosité et auto-inflammation faible)
 Limitation de la longueur des chaînes carbonées
B. Filière EMHV pour Moteurs Diesel
Réaction de transestérification:
Catalyseur acide ou basique
20-80°C
Pression atmosphérique
EMHV
Biodiesel = diester
Usine de production d'huile
et de diester
Utilisation des
biocarburants dans les
véhicules
CONTENU ÉNERGÉTIQUE DES DIFFÉRENTS
CARBURANTS
(en mégajoules par kilo)
/ 1.063
/ 1.525
Comparaison des Propriétés Physico-Chimiques
des Carburants pour moteurs ESSENCE
MON: Motor Octane Number
RON: Research Octane Number (IOR)
Comparaison des Propriétés Physico-Chimiques
des Carburants pour moteurs DIESEL
PCI: pouvoir calorifique inférieur
Amélioration de l ’indice d’octane du moteur
avec la présence d ’éthanol dans l ’essence
Indice d’octane moteur (IOM) de l’essence avec différentes
proportions d’éthanol
Variation de l’IOM due à
l’éthanol
Proportion
d’éthanol
IOM
0%
72,5
5%
74,8
2,3
10 %
76,6
1,8
15 %
78,5
1,9
20 %
80,3
1,8
25 %
81,4
1,1
LES BIOCARBURANTS peuvent être utilisés:
En direct…
 Moteurs adaptés à l’éthanol (ex.: Brésil): système d’injection,
réglages moteur, compatibilité plastiques, démarrage à froid….
 Moteurs adaptés à l’ETBE
Moteurs classiques pour le biodiesel
…Comme additifs sans modification des moteurs
 Jusqu’à 5% pour l’éthanol dans l’essence
( problèmes de démixtion et volatilité)
 Jusqu’à 15% pour l’ETBE dans l’essence
( gain d’indice d’octane, parfaite tolérance à l’eau, pas
de problème de volatilité)
 En toutes proportions pour le biodiesel dans le gazole
incorporations faibles: 5-30 % (PSA)
( indice cétane élevé, bon pouvoir lubrifiant)
Rendement et Production
des biocarburants
PRODUCTIVITÉ AGRICOLE
DES BIOCARBURANTS
(en hectolitres par hectare)
Productivité Bioéthanol >> Productivité EMHV
Un hectare de…
produit…
Betteraves
5.8 tonnes éthanol
Céréales
2.5 tonnes éthanol
Oléagineux
1.4 tonnes biodiesel
Evolution des surfaces consacrées à la production
de biocarburants entre 1992 et 2000
Evolution de la production de BIODIESEL en Europe
Année 2000: 0,3 % consommation diesel/essence
Situation 2003 de la production de BIODIESEL :
 ALLEMAGNE :
700 000 tonnes
 FRANCE :
310 000 tonnes
 ITALIE :
200 000 tonnes
 AUTRICHE :
40 000 tonnes
 DANEMARK :
20 000 tonnes
 ROYAUME UNI :
 SUEDE :
TOTAL:
7 000 tonnes
800 tonnes
1 277 800 tonnes ~ 1,3 million tonnes
Avec nouveaux projets à moyen terme :
2,5 et 3 millions tonnes
Situation 2001 de la production mondiale
de BIOETHANOL :
(en milliards de litres)
¤ Brésil
¤ USA
¤ Canada
¤ France
11,15 (canne à sucre)
6,63
0,238 (mais puis blé)
0,115 (betterave)
Coûts de production
EXEMPLE DE COÛT DE PRODUCTION DES
BIOCARBURANTS EN FRANCE
(en euros par litre)
(en euros par gigajoule)
Éthanol
EMHV
Carburants pétroliers
0,38
0,35
0,21
18
10,5
6
NB : Ces chiffres reposent sur l'hypothèse d'un prix du brut à 25 dollars le baril. Mimai 2004, il était de près de 40 dollars le baril.
Source : Institut français du pétrole, Panorama 2004.
Attention: prix de production = fonction (prix pétrole, prix
matières premières agricoles, prix des coproduits…)
 Coût plus élevé que celui des carburants
d’origine fossile auxquels ils sont incorporés
 caractère récent de la constitution des filières de production:
•unités de production de taille modeste
•intensité en main-d’oeuvre
Coûts de production des biocarburants:
• Biocarburants conventionnels:
Coût assez bien connu de 40-60 $/ equ baril pétrole
(ex: Brésil)
• Nouvelles filières:
Prix >
Équipements de haute technologie
Coût de 70-90 $/ equ baril pétrole
Impact des biocarburants
sur l’effet de serre
Biocarburants et Effet de Serre
Cycle CO2 des
biocarburants
CO2 « recyclé »
Cycle CO2 du
pétrole-diesel
Combustion hydrocarbures
fossiles  CO2
Indicateur EFFET DE SERRE
pour la filière BIOÉTHANOL
(en grammes équivalent CO2 par kilogramme)
Gain de 2,7 tonnes équivalent CO2 / T
 - 75% émissions GES
Indicateur EFFET DE SERRE
pour les filières HUILES ET EMHV
(en grammes équivalent CO2 par kilogramme)
Economies de gaz à effet de serre en
équivalents CO2:
2,7 t éq CO2/t d’éthanol
par rapport à l’essence remplacée
2,5 t éq CO2/t de biodiesel
par rapport au gazole remplacé
Exemple: véhicule neuf
Emissions: Essence classique :
155 g CO2/km
Essence + 5% éthanol: -10 g CO2/km
Scénario prospectif: amélioration des techniques
utilisées  Gain GES 
Mais:
Coût non négligeable du CO2 économisé
Energie restituée / Energie non renouvelable mobilisée
pour la filière BIOÉTHANOL
Progressions attendues pour biocarburants
Progression inexistante pour essence
Energie restituée / Energie non renouvelable mobilisée
pour la filière BIODIESEL
Biocarburants et impact
sur la pollution de l’air
Diversité des émissions gazeuses polluantes
à l’échappement des véhicules
 Participation des biocarburants volatils (éthanol)
au brouillard/ smog photochimique
Origine: concomitance des oxydes d’azote NOx et des
composés organiques volatils COV
Conséquence:
Non-consommation
de l ’ozone
Production
excédentaire
  Emissions de divers polluants par
les BIOCARBURANTS
Variations en %: ETBE 15 par rapport à essence
  Emissions de divers polluants par
les BIOCARBURANTS
Variations en %: EMHV 30% par rapport à gazole
Diminution de la pollution de l ’air
o Incorporation des biocarburants à essence / gazole
 mélange enrichi en O2  rendement de combustion
  pollution
o Incorporation des biocarburants dans combustibles
classiques:  incorporation benzène
o Capacité à réduire les émissions: moins essentielle
(nouvelles techniques de combustion, traitement des
fumées (pots catalytiques, filtres à particules),…)
En conclusion partielle…
LES BIOCARBURANTS
Sont des sources d’énergie…
 2/3 de l’énergie de l’essence pour le bioéthanol
 85 % de l’énergie de l’essence pour l’ETBE
 90% de l’énergie du gazole pour le biodiesel
…renouvelable
Avantages indéniables:
 Ils proviennent des plantes qui stockent l’énergie solaire.
 Ils ne font que restituer à l’atmosphère du gaz carbonique
capté par les plantes.
 Ils dégagent plus d’énergie que leur production n’en
consomme :
2 fois pour le bioéthanol
3 fois pour le biodiesel
 Ils exercent un effet positif sur pollution atmosphérique
 Ils limitent la dépendance énergétique
 Du point de vue économique, ils impliquent
création de nouveaux emplois (agricoles + industriels)
Produire 106 hl biodiesel  900 emplois générés
Produire 106 hl bioéthanol  500 emplois
nouveaux débouchés pour l ’agriculture
Arguments contre:
•Les seuls que l’on peut utiliser bruts = « huiles », mais le
plus mauvais rendement
• Alcool pur:
Modification moteurs
Remplacement parc auto
• Principal obstacle = coût de production des biocarburants
> coût des carburants classiques
• Biocarburants = additifs minoritaires aux produits
pétroliers
Avenir des biocarburants
et quelques pistes du
futur…
Pénétration des BIOCARBURANTS
sur le marché européen
Objectif de 5.75 % (20 %) de carburants alternatifs dans le
secteur du transport routier pour 2010 (2020) :
Directive Européenne (2003/30/CE)
 Amélioration de la sécurité d’approvisionnement,
indépendance énergétique (! mesures protectrices pour le
marché communautaire !)
 Réduction des émissions de gaz à effet de serre
 Aménagement et valorisation d’une partie importante des
territoires
 Développement d’une industrie particulièrement innovante
et favorable au développement durable de l’ensemble de la
planète
 Limitation des émissions de façon plus contraignante
Situation actuelle / objectifs européens
Biocarburants (filières classiques)
= remplacement à terme du pétrole ?
5 106 Tep  mobilisation de 30-40 % terres agricoles
actuelles
toutes les terres en culture:
 1400 106 Tep biocarburant / consommation mondiale
actuelle de 3500 106 Tep
Objectif réaliste:
10 % surfaces agricoles pour les biocarburants:
 4 % consommation actuelle produits pétroliers
 10 % (selon hypothèses les plus favorables)
 BIOCARBURANT conventionnel = APPOINT
Autres pistes:
- amélioration des rendements de production de biomasse
- gestion des co-produits < filières actuelles:
Filière betteraves: 0.7 T pulpes / T éthanol
Filière blé/ maïs: 1.2 T drèches / T éthanol
Filière huiles:
1-1.5 T tourteaux / T huile
Ex: 900.000 T éthanol produites  -20 % importations soja
- biodiesel 100 % BIO = EEHV
HV + méthanol
+ bioéthanol
Procédé FischerTropsch
A
B
Hydrolyse de la matière lignocellulosique
Voies A et B =
Transformation de la matière lignocellulosique
en biocarburants de synthèse
Voies plus prometteuses:
Biocarburants < totalité de la biomasse ligneuse:
- rendement potentiel plus élevé (2 à 3 x)
- sucres, huiles + cellulose (+ utilisation nombreux déchets)
- terres non agricoles, non nobles
- pas de compétition avec production nourriture
Les « acteurs » de l’évolution
de la politique des biocarburants
- les grands groupes pétroliers
- les grands constructeurs automobiles
- les législateurs, l’état
- les agriculteurs
- les consommateurs
Si les biocarburants n’ont pas
vocation à prendre la place des
carburants d’origine fossile, ils
peuvent s’ y substituer très
partiellement pour le plus grand
profit de l’environnement, de
l’indépendance énergétique et du
monde agricole.
Il semblerait qu’il existe une véritable
volonté politique en ce sens
Etat de l’art en Belgique:
plusieurs projets en gestation…..
• Production Bioéthanol: projet BIOWANZE, Raffinerie
Tirlemontoise: 300.000 m3/an
Mat. Prem.: blé/froment + sirop de sucrerie
• Production Bioéthanol dans zone portuaire de Gand,
AlcoGroup: 300.000 m3/an
Mat. Prem.: blé, maïs, sirop de betteraves
• Production HV (+ EMHV ?) à Feluy, Neochim:
200.000 T/an
• Production Biodiesel à Gand, BIORO:
300.000 T/an pour HV raffinée
200.000 T/an pour biodiesel
Mat. Prem.: colza
• Production HV (+ EMHV ?) à Hermalle-sous-Huy,
BIOFUEL: 100.000 T/an
Mat. Prem.: huiles de nature différente, prétraitement et
transestérification
! Défiscalisation accordée aux biocarburants produits
par des unités ayant reçu un agrément après appel d’offre
communautaire
Les biocarburants tracent leur
chemin !
Merci pour votre attention
Diane Thomas
Faculté Polytechnique de Mons