Laurent Catoire Professeur des Universités, Université d’Orléans, Département de Chimie et Directeur-adjoint ICARE, CN

1. Biocarburants de seconde génération : enjeux et perspectives Laurent Catoire Professeur des Universités, Université d’Orléans, Département de Chimie et Directeur-adjoint ICARE, CNRS Orléans Journées académiques UdPPC, Polytech’Orléans, 31 mars 2010

2. Interrelations Energie et Environnement

3. SOMMAIRE • INTRODUCTION : LES SOURCES D’ENERGIE • ENERGIES FOSSILES • pétrole brut • gaz naturel • charbons • PROBLEMATIQUES LIEES A LA COMBUSTION • pollution atmosphérique • effet de serre additionnel • ENERGIE RENOUVELABLES CHIMIQUES ET DEVELOPPEMENT DURABLE : CONVERSION ENERGETIQUE DE LA BIOMASSE • biocarburants de 1ère génération • biocarburants de 2ème génération • CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

4. LES SOURCES D’ENERGIE

5. LES SOURCES D’ENERGIE • Le soleil • Les énergies fossiles • le charbon • le pétrole • le gaz naturel • Electricité primaire • l’énergie hydraulique • le nucléaire • Autres sources • Les combustibles traditionnels (bois, tourbe) • la biomasse et les déchets • l’énergie éolienne • l’énergie des vagues et des marées • la géothermie

6. LES SOURCES D’ENERGIE Chauffage Carburants Electricités (primaire et secondaire)

7. Evolution technologique et consommation d’énergie • Consommation journalière • (millions de barils EP) • 1860 : 8 • 1920 : 20 • 1980 : 150 • 2000 : 200 • 2030 : 400 • Population : • 1860 : ≈ 1 Milliard • 1920 : 2 • 1980 : 5 • 2000 : 6 • 2030 : 8

8. ENERGIES FOSSILES

9. Pétrole brut Mais réserves prouvées de pétrole brut conventionnel consommées en ≈ 2045 en fait probablement avant

10. Découvertes et production de pétrole brut Découvertes Production Gb/an

11. Gaz Naturel (GN) mais épuisement prévu ≈ 2070 (d’après réserves prouvées de GN conventionnel) Date du pic de production : incertain 2020 car utilisation pour la production d’électricité (aux dépends du pétrole et des charbons)

12. Charbons 250 ans de réserves prouvées Réactivation probable de la filière

13. Energies fossiles et combustion : problématiques environnementales UV Couche d’ozone Climat Qualité de l’air

14. Energies fossiles et combustion : Problématiques • Combustion Espèces soufrées CO2 COV HC suies NOx Pluies acides Effet de serre additionnel Pollution troposphérique et stratosphérique Modifications potentielles du climat Effets sur la santé Effets sur la couche d’ozone

15. ENERGIES RENOUVELABLES CHIMIQUES ET DEVELOPPEMENT DURABLE : CONVERSION ENERGETIQUE DE LA BIOMASSE

16. La politique énergétique européenne • Loi d’orientation Grenelle 1 votée le 21 octobre 2008 : 23% des besoins énergétiques français couverts par les énergies renouvelables en 2020. • Réduction globale de 20% des émissions de gaz à effet de serre d’ici à 2020 par rapport au niveau de 1990 • Objectif de l’Allemagne : réduction de 40 % • En 2010, objectif global de 21% d’électricité d’origine renouvelable.

17. BIOMASSE carburants chauffage électricité

18. Les biocarburants

19. Les biocarburants Thématique « ancienne » : Diesel (1900) Avantages • Sécurité d’approvisionnement • Environnement • Moins d’émissions polluantes • Réduction de l’effet de serre • Agriculture • Aménagement du territoire • Débouchés

20. Les biocarburants Inconvénients • Coûts • Augmentation du prix des matières premières • Utilisation d’engrais, de pesticides, défrichements

21. Biocarburants de 1ère génération

22. Les biocarburants de 1ère génération • Carburants (de substitution, co-carburant, additif): • Moteur DIESEL (Huiles végétales pures HVP, EMHV esters méthyliques d’huiles végétales, EEHV) • Moteur ESSENCE (Éthanol, ETBE) • Seules énergies renouvelables directement disponibles sous forme liquide de nos jours

23. EMHV (Biodiesel) (Biogazole) transesterification Plantes oléagineuses Extraction & raffiinage Huiles végétales Graisses animales Hydrodésoxygénation Graisses animales Gazole renouvelable (CnH2n+2) Fermentation & distillation Plantes sucrières sucres Extraction Ethanol Plantes amylacées Hydrolyse ETBE Etherification Principaux modes d’obtention des biocarburants de 1ère génération

24. Les biocarburants de 1ère génération (Agrocarburants) Matières premières : produits de réserve Plantes sucrières et plantes amylacées Plantes oléagineuses BIODIESEL (DIESTER) Colza • Tournesol • Soja • Arachide • Lin • Olivier • Palmier à huile • Cocotier BIOETHANOLBetteraves • Canne à sucre • Erable à sucre • Blé  • Maïs • Pommes de terre

25. Les biocarburants de 1ère génération Obtention de bioéthanol à partir des plantes amylacées Hydrolyse enzymatique Glucose Amidon Plantes amylacées a-amylase amyloglucosidase Fermentation anaérobie C6H12O6 2 C2H5OH + 2 CO2 Saccharomyces cerevisiae 3,5 tonnes de blé produisent 1 tonne d’éthanol 1 hectare de céréales produit 2,5 tonnes d’éthanol

26. Les biocarburants de 1ère génération Obtention d’éthanol à partir des plantes sucrières Plantes sucrières saccharose Fermentation anaérobie 4 C2H5OH + 4 CO2 C12H22O11 + H2O Catalyse enzymatique 12,6 tonnes de betteraves produisent 1 tonne d’éthanol 1 hectare de betteraves produit 5,8 tonnes d’éthanol 1 hectare de betteraves produit 2 tep/an

27. Les biocarburants de 1ère génération Obtention de biodiesel à partir des plantes oléagineuses trituration Huile végétale : triglycérides Plantes oléagineuses R : chaîne alkyle (C6-C30) grasse saturée, monoinsaturée ou polyinsaturée

28. Les biocarburants de 1ère génération Obtention de biodiesel à partir des plantes oléagineuses : transestérification Huile végétale : triglycérides Cat. + 3 CH3OH 3 50°C Patm +

29. Les biocarburants de 1ère génération Esters méthyliques (EMHV) 2,55 tonnes de graines de colza 1 tonne d’huile 1000 litres d’ester Autres « biocarburants » : ETBE et MTBE

30. Biocarburants : bilan environnemental Remplacer un litre d’essence par : un litre d’éthanol un litre d’ETBE Remplacer un litre de gazole par : un litre d’EMHV - 75 % gaz à effet de serre - 31 % gaz à effet de serre - 80 % gaz à effet de serre

31. Biocarburants de 1ère génération : carburants de substitution ? source : rapport DIREM/ADEME sur les biocarburants, 2003

32. Biocarburants de 2ème génération

33. filière en développement • Programme National de Recherche sur les Bioénergies (PNRB) : financement ANR (Agence Nationale de la Recherche), mise en œuvre ADEME (Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie) GALACSY SUPERBIO

34. Biocarburants et biocombustibles de 2ème génération • issus de la biomasse non alimentaire : produit de parois • branches mortes, écorces, broyats divers, plaquettes forestières • biomasse agricole non-spécifique : paille, son, déchets industrie viticole • biomasse agricole dédiée (spécifique) : taillis à très courte rotation (TTCR : bouleau, saule), Miscanthus giganteus • sous-produits et résidus de l’industrie papetière • lisiers, décharges (ordures ménagères), stations d’épuration, etc. (biogaz) • microalgues (biocarburant et biogaz) • huiles végétales usées

35. Biocarburants et biocombustible de 2ème génération • miscanthus giganteus

36. BIOMASSE (Chauffage et électricité) • Logements sociaux chauffés aux granulés de paille (Droué, Loir-et-Cher) depuis début 2008 • Remplacement partiel du charbon par la biomasse (déchets de bois, etc.) dans la plus grande centrale thermique au charbon du Royaume-Uni courant 2009 • Construction par AREVA de centrales thermiques à biomasse (déchets de bois, paille de riz) en Thaïlande et au Brésil

37. BOIS et DECHETS SYLVICOLES DECHETS AGRICOLES (paille)

38. Ressources en bois (forêts)

39. Ressources en bois

40. Ressources en bois (forêts) 13 Mtep/an

41. Ressources en bois (forêts) 1,6 Mtep/an

42. Autres ressources ligneuses • Vignes • Vergers • Arbres urbains 1,75 Mtep/an

43. Conversion de la biomasse lignocellulosique : thermochimique ou biochimique Matières premières : produits de paroi 40 à 50 % de la masse du bois sec : cellulose

44. Conversion de la biomasse lignocellulosique 25 à 35 % de la masse du bois sec : hémicelluloses Glucose Galactose Mannose Xylose Arabinose Acide glucuronique

45. Conversion de la biomasse lignocellulosique 16 à 33 % de la masse du bois sec : lignine

46. Conversion thermochimique de la biomasse lignocellulosique : Bio-oil bois, déchets forestiers, déchets agricoles pyrolyse lente pyrolyse rapide trempe ≈ 650°C ≈ 600°C 5-30 min 0,5-5 s dT/dt faible dT/dt très élevée CO + H2 Bio-oil Huile + « charbons » + gaz FT Biocarburants de 2ème génération Chauffage industriel Electricité

48. Fischer-Tropsch : conversion du gaz de synthèse

49. Conversion biochimique de la biomasse lignocellulosique : Ethanol Délignification par enzymes lignolytiques Enzymes : cellulases + hémicellulases Trichoderma reesei Pycnoporus cinnabarinus Levures Saccharomyces cerevisiae Bactéries Thermoanaerobacter ethanolicus

50. ORDURES MENAGERES EAUX USEES – BOUES DECHETS AGRICOLES (lisier)