Pourquoi et comment les biocarburants ?

1. Pourquoi et comment les biocarburants ? Diane Thomas Service de Génie Chimique Faculté Polytechnique de Mons

3. Le contexte…

4. 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)

5. Enjeux des biocarburants: • Énergétiques • Environnementaux • Economiques

6. 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

7. 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)

8. 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

9. SOLUTIONS ? •  substituts du pétrole non émetteurs de GES: • Biocarburants  conventionnels • de synthèse • Véhicules électriques • Véhicules à l’hydrogène

10. 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

11. Diminution de la consommation d’énergie par industries chimiques  améliorer les performances énergétiques Effort déjà consenti par industrie / production électricité:  Kyoto (% 4 émissions pour 2020)  possible seulement avec contribution des transports

12. La production des biocarburants

13. 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) BIOMASSEFraction biodégradable des produits, déchets et résidus provenant de l’agriculture, de la sylviculture, des déchets industriels et municipaux

14. Les deux filières de production des Biocarburants Moteurs DIESEL Moteurs ESSENCE

15. Les deux filières de production des Biocarburants Filière Huiles Végétales  EMHV = Biodiesel ETBE Filière Ethanol  Bioéthanol

16. BIODIESEL BIOETHANOL

17. Plusieurs matières premières: ETHANOL betteraves ETBE cannes à sucre blé maïs pommes de terre cellulose BIODIESEL colza tournesol soja palme huiles de friture graisses animales Plantes sucrières Plantes amylacées Plantes oléagineuses

18. A. Filière Bioéthanol pour Moteurs Essence

19. 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

20. A. Filière Bioéthanol pour Moteurs Essence Pulpe de betterave Drèches de blé vinasses

21. 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 CO2saccharoseéthanol Processus anaérobie catalysé par enzyme produite par levure Rendement:100 kg sucre ~ 50 kg éthanol

22. A. Filière Bioéthanol pour Moteurs Essence • Etapes de séparation de l’éthanol : • Distillation usuelle • Déshydratation (distillation azéotropique, tamisage moléculaire, procédé membranaire)

23. 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

24. A. Filière ETBE pour Moteurs Essence Un processus de fabrication pas si simple….!

25. Usine de production d'éthanol (colonne de distillation d'éthanol à Arcis-sur-Aube)

26. B. Filière EMHV pour Moteurs Diesel Huiles végétales: production mondiale = 80 MT / an Huile estérifiée = biodiesel Huile brute

27. B. Filière EMHV pour Moteurs Diesel

28. 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

29. B. Filière EMHV pour Moteurs Diesel Réaction de transestérification: EMHV Biodiesel = diester Catalyseur acide ou basique 20-80°C Pression atmosphérique

30. Usine de production d'huile et de diester

31. Utilisation des biocarburants dans les véhicules

32. CONTENU ÉNERGÉTIQUE DES DIFFÉRENTS CARBURANTS (en mégajoules par kilo) / 1.063 / 1.525

33. Comparaison des Propriétés Physico-Chimiques des Carburants pour moteurs ESSENCE MON: Motor Octane Number RON: Research Octane Number (IOR)

34. Comparaison des Propriétés Physico-Chimiques des Carburants pour moteurs DIESEL PCI: pouvoir calorifique inférieur

35. 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 Proportion d’éthanol IOM Variation de l’IOM due à l’éthanol 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

36. 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)

37. Rendement et Production des biocarburants

38. PRODUCTIVITÉ AGRICOLE DES BIOCARBURANTS(en hectolitres par hectare) Productivité Bioéthanol >> Productivité EMHV

39. Un hectare de… produit… Betteraves 5.8 tonnes éthanol Céréales 2.5 tonnes éthanol Oléagineux 1.4 tonnes biodiesel

40. Evolution des surfaces consacrées à la production de biocarburants entre 1992 et 2000

41. Evolution de la production de BIODIESEL en Europe Année 2000: 0,3 % consommation diesel/essence

42. 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 : 7 000 tonnes • SUEDE : 800 tonnes TOTAL: 1 277 800 tonnes ~ 1,3 million tonnes Avec nouveaux projets à moyen terme : 2,5 et 3 millions tonnes

43. Situation 2001 de la production mondiale de BIOETHANOL : • (en milliards de litres) • Brésil 11,15 (canne à sucre) • USA 6,63 • Canada 0,238 (mais puis blé) • France 0,115 (betterave)

45. Coûts de production

46. EXEMPLE DE COÛT DE PRODUCTION DES BIOCARBURANTS EN FRANCE Éthanol EMHV Carburants pétroliers (en euros par litre) 0,38 0,35 0,21 (en euros par gigajoule) 18 10,5 6 NB : Ces chiffres reposent sur l'hypothèse d'un prix du brut à 25 dollars le baril. Mi-mai 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

47. 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

48. Impact des biocarburants sur l’effet de serre

49. Biocarburants et Effet de Serre Cycle CO2 des biocarburants Cycle CO2 du pétrole-diesel CO2 « recyclé » Combustion hydrocarbures fossiles  CO2

50. 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