L’offre alternative de carburants à long terme : gas to liquid, liquefaction du charbon, biocarburants, hydrogène… Stép

1. L’offre alternative de carburants à long terme : gas to liquid, liquefaction du charbon, biocarburants, hydrogène… Stéphane His Institut Français du Pétrole Direction des Études Économiques

2. Introduction Principaux enjeux du secteur des transports • Réduire la pollution locale : CO, HC, NOx, fines particules, O3 • Réduire la pollution globale : Gaz à effet de serre (CO2,…) • Garantir l’approvisionnement des filières énergétiques pour le transport à moyen et long terme Dans des conditions économiques acceptables...

3. 30 25 20 15 10 5 0 1972 1976 1980 1984 1988 1992 1996 2000 2005 Introduction Évolution de la réglementation antipollution européenne Normes VP Europe > 70 g/km CO g/km 2000 2005 MVEG CO 2,3 1 Essence HC 0,2 0,1 NOx 0,15 0,08 CO 0,64 0,5 Diesel NOx 0,5 0,25 HC+NOx 0,56 0,3 PM 0,05 0,025 HC+NOx

4. Introduction Des résultats très importants en matière de pollution locale Emissions UE CO2 polluants Année Auto Oil 2000, EU

5. Moteurs conventionnels • à allumage commandé et injection directe ou indirecte de carburant :moteur à essence • à allumage par compression et • injection directe de carburant : moteur diesel • Carburants conventionnels • issus du pétrole • avec composants oxygénés et additifs • Pollution locale • Approvisionnements en énergie • Emissions de GES • Moteurs alternatifs • moteurs dédiés (GNV, GTL, DME,…) • nouveaux procédés de combustion (HCCI, CAI) • motorisation électrique (batteries ou pile à • combustible) • motorisation hybride thermique/électrique • Carburants alternatifs • carburants reformulés (moteurs conventionnels, • nouveaux procédés de combustion, reformeur ) • gazeux: GPL, GNV, DME, H2 • GTL • bio-carburants (ethanol, methanol, ETBE, MTBE, • EMHV Introduction Les réponses possibles

6. Les carburants alternatifs d’aujourd’hui La situation aujourd’hui 40 MTEP 1460 MTEP

7. Les carburants alternatifs d’aujourd’hui Les biocarburants Production mondiale d’éthanol carburant : 19 Mt Production mondiale d’EMHV carburant : 1,6 Mt France Italie Brésil Autres Autres Allemagne États-Unis Consommation mondiale de pétrole dans les transports : 1,5 Gt

8. Les carburants alternatifs d’aujourd’hui Les biocarburants

9. Les carburants alternatifs d’aujourd’hui Les biocarburants L’éthanol • Bonne aptitude au mélange avec l’essence - Europe : E5 - États-Unis : E10 - Brésil : E22/24 - Brésil et États-Unis : E85+ • Très bon indice d’octane : moins de risques de cliquetis • Combustion avec un impact positif sur l’environnement (local et global) en comparaison avec la combustion de l’essence - HC, CO : - 5% à - 10% - Gain sur les émissions de CO2

10. Les carburants alternatifs d’aujourd’hui Les biocarburants Inconvénients de l’éthanol • Accroissement des émissions par évaporation (en mélange à 5% : risque d'accroître jusqu'à 50% les HC évaporés) - impact potentiel sur la pollution à l’ozone • Faible contenu énergétique : 1/3 de moins que les carburants pétroliers • A de faibles teneurs en éthanol et en présence de trace d’eau, risque de séparation des phases • A de fortes teneurs en éthanol, nécessité d’adapter le véhicule - systèmes d'injection - réglages moteurs - compatibilité des plastiques et des joints

11. Les carburants alternatifs d’aujourd’hui Les biocarburants Des solutions • Transformer l’éthanol en ETBE L’ETBE permet de gommer les principaux inconvénients de l’éthanol en mélange : - évaporation - séparation des phases Mais… disponibilité en isobutène limitée en raffinerie et bilan CO2 moins favorable • Incorporer l’éthanol à une essence à volatilité réduite

12. Les carburants alternatifs d’aujourd’hui Les biocarburants

13. Les carburants alternatifs d’aujourd’hui Les biocarburants Avantages des EMHV • Bonne aptitude au mélange avec le gazole - EMHV 5 distribué de façon banalisée - EMHV 30 utilisé sur des flottes captives • Effet de substitution positif - absence de soufre et de composés aromatiques - pouvoir lubrifiant • Impact positif de la combustion sur l’environnement (local et global) en comparaison avec la combustion de gazole - diminution des émissions d’HC et de particules - bilan CO2 favorable

14. Les carburants alternatifs d’aujourd’hui Ethanol Brésil EMHV Europe Ethanol Etats-Unis Ethanol Europe 0,3 $/l 0,23 $/l 0,35-0,65 €/l 0,4-0,6 €/l 14 $/GJ 11 $/GJ 10,5-20 €/GJ 19-29 €/GJ Les biocarburants Principale limite : le coût Coûts comparés des principales filières biocarburants Sources : AIE/IFP Ordre de grandeur de prix des carburants pétroliers Brut à 25 $/bl 0,2 $/l ou 6$/GJ 0,4 $/l ou 12$/GJ Brut à 50 $/bl

15. Les carburants alternatifs d’aujourd’hui Les biocarburants Principale limite : la compétition avec l’alimentaire Exemple en France 2010 (5,75%) Aujourd’hui Surface (ha) Qté produite (t) Éthanol EMHV Surface (ha) Qté produite (t) Éthanol EMHV ? Betterave Blé 53 600 300 000 Betterave Blé 12 000 60 000 270 000 700 000 14 400 36 000 1 900 000 2 400 000 Oléagineux Oléagineux 280 000 357 000

16. Les carburants alternatifs d’aujourd’hui Les biocarburants Principale limite des volumes importants de co-produits à valoriser Ordre de grandeur des volumes de co-produits générés par filières : Marché de valorisation des co-produits Éthanol 0,75 t. de pulpes/t. d’éthanol ex-betterave 1,2 t. de drèches/t. d ’éthanol ex-blé EMHV 1 à 1,5 t. de tourteaux/t. d’EMHV 0,1 t. de glycérine/t. d’EMHV Alimentation animale Alimentation animale Alimentation animale Alimentation, cosmétique, etc.

17. Les carburants alternatifs d’aujourd’hui Les carburants gazeux • Avantages : • Diversification de l’offre carburant dans le secteur des transports • Gain environnemental par rapport aux solutions conventionnelles (positif ou nul sur les aspects pollutions locales et positif d’un point de vue effet de serre ~ 10% pour le GPL et 25 à 30% pour le GNV) • Inconvénients : • Nécessité du développement d’une infrastructure de distribution et d’une adaptation des véhicules • Ressources fossiles limitées

18. Les carburants alternatifs de demain Les biocarburants

19. Les carburants alternatifs de demain Les biocarburants Les propriétés des produits • Les BTL sont : • – des gazoles à haut indice de cétane : ~ 70 – – des gazoles sans aromatique – des gazoles sans soufre – – Ils peuvent être utilisés purs ou en mélange dans les gazoles actuels • • Ils permettent de réduire significativement les émissions, notamment de particules • • • Ils offrent un fort potentiel d’optimisation du couple moteur/gazole pour atteindre de très bas niveaux de rejets de CO2

20. Les carburants alternatifs de demain Les biocarburants Principales caractéristiques des nouvelles filières • Coûts de production Aujourd’hui Après-demain Demain 0,36 $/l 0,29 $/l 0,19 $/l Ethanol ex lignocellulose 17 $/GJ 9 $/GJ 14 $/GJ 0,8 $/l 0,4-0,5 $/l BtL 21 $/GJ 11-14 $/GJ Sources : AIE/IFP • Pas de co-produits • Un potentiel en ressource très difficile à estimer : 1 à 10 Gtep/an à l’horizon 2050/2100 ????

21. Les carburants alternatifs de demain Les carburants de synthèse Le GTL CO + 2H2 -CH2- • Essence • Kérosène • Gazole GN Préparation du gaz de synthèse Synthèse Fischer -Tropsch Hydrocraquage H2O, O2

22. Les carburants alternatifs de demain Les carburants de synthèse Le CTL Charbon solubilisé Voie directe -CH2- Preparation du mélange Traitement et raffinage Hydrogénation • Essence • Kérosène • Gazole H2 Charbon CO + 2H2 -CH2- Préparation du gaz de synthèse Synthèse Fischer -Tropsch Hydrocraquage Voie indirecte H2O, O2

23. Les carburants alternatifs de demain Les carburants de synthèse Éléments économiques sur les filières GTL et CTL • Coûts de production Investissement $/bl/j Prix des produits $/bl 16 à 26 GTL 20 à 30 000 Pour un gaz de 0,5 à 1 $/mmbtu ~ 40 45 à 60 000 CTL • Rendement énergétique faible (50% à 60%) • Importantes émissions de CO2 : capture et stockage du CO2 ?

24. Les carburants alternatifs de demain L’hydrogène STOCKAGE/DISTRIBUTION PRODUCTION CONVERSION/UTILISATION COMBUSTION • PAR REFORMAGE • Combustibles Fossiles CHAUDIERES • Charbon • Pétrole • Gaz naturel THERMIQUE HYDROCARBONES • HYDROGENE • Liquéfié • Sous pression • Hydrures • Carbones • Microbilles • … • Produits issus de Biomasse MOTEURS • Alcools • Biogaz (CH4, H2, CO,) MECANIQUE DECOMPOSITION PHOTOBIOLOGIQUE FORME D’ENERGIE TURBINES PAR ELECTROLYSE • Alcaline • Haute pression • Haute température • Electrolyte polymère solide • Photoélectrochimique ELECTROCHIMIE EAU ELECTRIQUE FUEL CELLS • PEMFC • SOFC PAR CRAQUAGE THERMOCHIMIQUE

25. Les carburants alternatifs de demain La nécessité d’une approche globale pour aborder correctement la problématique « effet de serre » La démarche du « puits à la roue » prend en compte l’ensemble des étapes du cycle de production des carburants de l’extraction des matières premières à l’utilisation du carburant dans l’automobile

26. MCI+GTL PAC+H2 liquéfié ex MCI+Gazole électricité EU-mix MCI+Essence PAC+H2 comprimé PAC+H2 comprimé ex- ex-charbon MCI+DME électricité EU-mix centralisé MCI hybride+essence MCI Hybride+GTL MCI Hybride +DME PAC reformeur+essence MCI+GN MCI Hybride+gazole PAC+H2 liquéfié ex MCI+Ethanol GN centralisé MCI Hybride+GN MCI PAC+H2 PAC+H2 MCI+Diester Hybride+Ethanol comprimé ex GN comprimé ex GN centralisé sur site MCI Hybride+Diester MCI Hybride+BTL MCI+BTL PAC+H2 comprimé ex- PAC+H2 PAC+H2 comprimé ex- électricité Nuc. comprimée ex bois électricité éolien Les carburants alternatifs de demain Bilan comparatif du « puit à la roue » 200 150 Gr CO2 éq./km 100 50 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 L éq. essence/100 km Source : JRC/EUCAR/CONCAWE, Janvier 2004

27. Les carburants alternatifs de demain L’hydrogène Coût de la filière hydrogène : la filière hydrogène comprimé ($/GJ)

28. Les carburants alternatifs de demain L’hydrogène Avec des hypothèses de production de masse, le DOE annonce des valeurs comprises entre 200 et 500 $/kg d’H2. L’objectif est d’arrivé à 66 $/kg en 2015. $/kg d’H2 Source : Dynetek

29. Les carburants alternatifs de demain L’hydrogène ? Source : Directed Technologies

30. Les carburants alternatifs de demain L’hydrogène Évolution de la demande mondiale de platine avec une réduction à 0,2 g/kw (/5 à 10 par rapport à aujourd’hui) du contenu en platine des PAC Source : TIAX, Décembre 2003

31. Les optimistes : Chevrontexaco

32. Les optimistes : Chevrontexaco

33. Les pessimistes :Exxonmobil

35. Quel avenir énergétique dans les transports ? • Moyen terme : carburant liquide et hybridation des véhicules • brut conventionnel/non-conventionnels • biocarburants (EMHV, Éthanol, BtL) • GTL/CTL • Long terme : • H2/électricité

36. Quel avenir énergétique dans les transports ? Comparaison pour un véhicule de 75 kw d’une autonomie de 600 km Masse kg Stockage d’énergie Convertisseur Total MCI : 45 170 215 H2+PAC+Moteur : 60 273 343 Batterie avancée + Moteur : 383 73 456 Source IFP & EUCAR/JRC/CONCAWE 2004

37. Ammoniaque Production Captive Raffinage Méthanol Autres Production Marchande Pipeline En bouteille/liquide L’industrie existanteProduction 20’000 G.SCF = 535 G.Nm3 = 48 M.tH2 = 138 M.TEP 109 SCF Production H2

39. L’industrie existante Production Économie • Les coûts de production de l’H2 * Prix de l’électricité constaté en juillet 2002

40. L’industrie existanteLes différents modes de distribution Source : Air Liquide

41. L’industrie existanteEnviron 2500 + km de pipelines dans le monde Source : Air Liquide

42. L’industrie existanteEnviron 2500 + km de pipelines dans le monde Source : Air Liquide

43. Les piles à combustibles Les nouveaux challenges États de développement Électrolyte T (°C) Rdt (%) Reformage Proto. auto et indus. 30-50 Ext. 80-90 Membrane polymère PEMFC Appli. espace & auto 55-60 Ext. 80-90 Solutions de KOH AFC Pré-commerciale 36-45 Ext. 180-210 PAFC Acide phosphorique MCFC Proto. indus. 50-60 Ext./int. 600-700 Carbonate fondu SOFC Test indus. et labo 50-70 Ext./int. Oxydes solides 800-1000 DMFC Recherche 34 Int. 80-90 Membrane polymère

44. Les nouveaux challenges Les piles à combustiblesPile PEMFC alimentée en H2 : description du fonctionnement

45. Les nouveaux challenges Stockage/distribution : arriver à stocker à un moindre coût l’hydrogène Molécule très énergétique: 120 MJ/kg contre 50 MJ/kg pour CH4 toutefois énergie volumique 3.5 fois plus faible Densité volumétrique de plusieurs carburants

46. Solide Liquide Gazeux Les nouveaux challenges Stockage/distribution : arriver à stocker à un moindre coût l’hydrogène Molécule très énergétique: 120 MJ/kg contre 50 MJ/kg pour CH4 toutefois énergie volumique 3.5 fois plus faible

47. Les nouveaux challenges Arriver à bâtir une infrastructure Principales opérations de démonstration « stations services » dans le monde : États-Unis

48. Les nouveaux challenges Arriver à bâtir une infrastructure Principales opérations de démonstration « stations services » dans le monde : le Japon

49. Les nouveaux challenges Arriver à bâtir une infrastructure Principales opérations de démonstration « stations services » dans le monde : Europe (projet CUTE)