ARTICLE
Auteur(s) : Jean-Luc
Gurtler
ONIGC, 12 Rue Henri Rol Tanguy, 92355 Montreuil-sous-bois
Les biocarburants sont désormais une composante à part entière
du bouquet énergétique1. À ce jour,
les biocarburants de première génération représentent une solution
immédiatement opérationnelle pour limiter les émissions de gaz à
effet de serre dans le secteur des transports. D’ici 2020, les
biocarburants de deuxième génération viendront compléter la gamme
des énergies renouvelables pour atteindre les objectifs
d’incorporation que propose l’Union européenne2.
En attendant les innovations technologiques de la deuxième
génération, les biocarburants de première génération sont d’ores et
déjà engagés dans une démarche de progrès qui concerne à la fois
les stades agricole et industriel.
Introduction
Un changement de contexte
Par le passé, les politiques en faveur des biocarburants ont été
inspirées par la hausse du prix du pétrole, ou conçues comme des
mesures de politiques agricoles. Ainsi, le plan brésilien PROALCOOL
visait autant à sécuriser l’approvisionnement énergétique du pays
suite au choc pétrolier de 1973, qu’à réguler le marché du sucre
qui connaissait alors une période de surproduction.
En Europe, la réforme de la PAC du début des années 90 instaure
la jachère obligatoire et prévoit, comme mesure d’accompagnement,
la possibilité d’en cultiver une fraction à des fins non
alimentaires (la jachère industrielle).
Plus récemment, les politiques de développement des
biocarburants ont été amplifiées pour des raisons d’indépendance
énergétique et de lutte contre le changement climatique.
Dans ce contexte nouveau, les biocarburants apparaissent
désormais comme une composante à part entière du bouquet
énergétique, avec les énergies solaire, éolienne, hydraulique,
thermique, etc.
La biomasse au cœur du bouquet énergétique
De toutes les sources d’énergies renouvelables, la biomasse
présente un statut particulier car elle est à la fois source
d’énergie et source de molécules carbonées.
Cette particularité lui assure des débouchés diversifiés au-delà
des applications purement énergétiques dans les secteurs de la
chimie du végétal, des biomatériaux, des textiles ou de la pâte à
papier.
Cette ressource, qui a pour seule source énergétique la
photosynthèse des plantes, confère de ce fait à l’agriculture et à
la sylviculture un rôle stratégique pour la contribution au bouquet
énergétique.
L’agriculture doit pouvoir assumer son nouveau statut de source
d’approvisionnement en carbone renouvelable, tout en assurant sa
mission principale qui est de nourrir la planète.
Les besoins alimentaires sont eux-mêmes soumis à la double
dynamique de la croissance démographique mondiale et de
l’augmentation de la ration alimentaire dans les pays émergents
comme la Chine ou l’Inde.
L’expansion des biocarburants devra donc reposer sur la
progression de la performance énergétique par unité de surface. Les
carburants de deuxième génération pourraient à terme contribuer à
cette évolution.
Les procédés de fabrication
Biocarburants G1 : valorisation des organes de réserve des
plantes
Les biocarburants disponibles actuellement dits de « première
génération » (G1), sont obtenus à partir des organes de
réserve de plantes cultivées, caractérisées par une teneur élevée
en molécules d’intérêt technologique.
L’éthanol est ainsi obtenu à partir de ressources sucrières
(betterave et canne à sucre) et amylacées (blé, maïs, manioc). Il
trouve ses débouchés dans les motorisations de type essence.
Les esters méthyliques d’huiles végétales sont destinés aux
motorisations de type diesel et sont obtenus par transformation
chimique d’huiles végétales ou de graisses animales.
Déjà performante sur le plan du bilan des émissions de gaz à
effet de serre (GES), la production de biocarburants G1 dispose
encore de marges de progrès dans ce domaine, ainsi que dans celui
des performances énergétiques, par l’amélioration des rendements
agronomiques, des pratiques culturales, mais aussi par
l’optimisation des procédés industriels, notamment en intégrant aux
process, des chaudières alimentées par la biomasse ou en utilisant
du biogaz de méthanisation.
Par ailleurs, les biocarburants de première génération ont des
avantages que n’auront pas les futurs biocarburants de deuxième
génération : ils génèrent des co-produits qui sont utilisés en
alimentation animale. En outre, ils offrent un débouché
supplémentaire aux grandes cultures, permettant ainsi une
diversification du risque de prix.
Néanmoins, la concurrence entre les différents usages possibles
des matières premières agricoles et la limite physique des surfaces
cultivables, constituera, à terme, une limitation au développement
de cette génération de biocarburants.
Biocarburants G2 : utilisation de la plante entière
Les carburants de « deuxième génération » (G2) seront
produits à partir de la lignocellulose qui est le principal
constituant des tissus de soutien des plantes (branches, tiges
troncs…), il s’agit par conséquent, d’une ressource plus abondante
et plus diversifiée que pour la première génération.
Les avantages attendus de la seconde génération : réduction
des concurrences d’usages avec les filières alimentaires,
amélioration des bilans énergétiques et environnementaux, ainsi que
des rendements, et coûts de production plus faibles. En revanche,
leur développement entraînera un regain de concurrence pour les
usages de la ressource lignocellulosique.
Plusieurs technologies sont à l’étude. Deux d’entre elles se
distinguent par l’intensité des recherches en cours dans le monde.
Il s’agit de la production d’éthanol de cellulose par voie
biochimique et la production de biodiesel de synthèse par
gazéification de la biomasse.
L’éthanol de cellulose par la voie biochimique
Il s’agit d’obtenir de l’éthanol à partir de la biomasse
lignocellulosique, grâce à l’action successive d’enzymes et de
levures. La voie biochimique comporte quatre étapes visant à
extraire de la matière première des sucres simples, qui seront
ensuite transformés en alcool (séparation des constituants de la
biomasse en cellulose, hémicellulose et lignine ; hydrolyse
enzymatique de la cellulose ; fermentation des sucres ;
distillation).
Avant de passer au stade industriel, plusieurs avancées
technologiques sont nécessaires. L’une concerne la première étape
du process, avec le développement d’enzymes à haut rendement
capables de fractionner tous types de biomasse, à un coût qui soit
compétitif. Par ailleurs, il est nécessaire d’optimiser l’étape de
la fermentation3.
La production d’éthanol par voie biochimique permettra aussi de
produire toute une gamme de co-produits qui pourra être valorisée
soit dans la production d’énergie soit dans le secteur de la chimie
du végétal.
Le biodiesel G2 par la voie thermochimique
La voie thermochimique est une technologie commune aux filières
biomasse, charbon ou gaz qui vise à obtenir des carburants liquides
mélangeages au gazole, à partir de matières premières solides ou
gazeuses. Ces carburants sont appelés BTL (biomass to liquid), CTL
(coal to liquid) ou GTL (gaz to liquid).
Cette technologie consiste à gazéifier la matière première sous
l’action de la chaleur, de la pression et d’un agent gazéifiant
(eau, air, oxygène). Le gaz ainsi obtenu est appelé gaz de
synthèse. Une fois épuré, le gaz de synthèse permet de réaliser des
synthèses catalytiques par le procédé appelé Fisher-Tropsch. Les
produits obtenus sont ensuite retraités pour obtenir un carburant
liquide gazole de haute qualité.
En amont, s’ajoute une étape de collecte et de prétraitement de
la biomasse. En effet, la qualité des sources de biomasse
lignocellulosique constitue un critère important pour leur
conversion thermochimique. Des améliorations technologiques sont à
réaliser dans ce domaine, ainsi que dans celui de la purification
des gaz à la sortie du gazéificateur. Enfin, cette technologie doit
être optimisée techniquement, et validée économiquement sur
l’ensemble du processus, par la mise en place de pilotes et
d’unités de démonstration.
Ressources en matières premières pour les biocarburants g2
La biomasse contributeur significatif au bouquet
énergétique
En France, la consommation d’énergie primaire est aujourd’hui de
273 millions de Tep4. Le gisement
potentiel de biomasse est estimé à environ 40 millions de tep/an5. D’ici 2020, 10 Mtep/an
supplémentaires pourraient être exploitées pour la valorisation
énergétique sans déstabiliser les secteurs traditionnels (industrie
du bois et de la pâte à papier, agro-industrie, élevage…).
Pour l’UE à 25, l’offre potentielle se situe entre 240 et 320
Mtep à l’horizon 2030, pour une consommation actuelle en énergie
finale de 330 millions de tep pour le seul secteur des
transports6.
La valorisation de la biomasse ne saurait donc être la seule
réponse à l’enjeu énergétique, mais elle représente une
contribution importante au bouquet énergétique. Cela illustre
l’obligation d’optimiser les choix dans les utilisations
potentielles (production de chaleur/électricité, carburant liquide,
chimie verte…) et la nécessité d’augmenter les rendements de
conversion pour les applications énergétiques.
Les ressources issues des résidus lignocellulosiques
Ces gisements existent déjà mais la difficulté principale est la
mise en œuvre d’une collecte économiquement optimisée :
- – Les résidus agricoles : paille de céréales,
rafles de maïs et tiges de colza, ainsi que les pulpes de
betterave. Ces matières peuvent être converties en éthanol à l’aide
de la technologie G2 au prix d’une optimisation du procédé. Mais
cette ressource est limitée par les autres usages :
alimentation ou litière pour animaux, production de chaleur par
combustion, retour de matière organique au sol.
- – Les résidus sylvicoles : le secteur sylvicole
génère de grandes quantités de résidus mobilisables pour des usages
énergétiques (branchages, souches, petits bois). Cette ressource,
qui pourrait représenter 3 Mtep supplémentaires d’ici 2020,
nécessite néanmoins le développement de procédés de collecte,
transport et stockage de la matière.
- – Le bois issu de la forêt : développer
l’exploitation des forêts à des fins bioénergétiques est
techniquement possible à partir des technologies G2. Mais de
nouveaux systèmes de production devront être élaborés, prenant en
compte la concurrence du débouché biocarburant avec les autres
usages (bois matériaux), l’efficacité économique et les enjeux
environnementaux.
- – Les résidus industriels et commerciaux : certains
résidus industriels sont valorisables dans les filières
biocarburants G2 ; comme par exemple les liqueurs noires de
l’industrie papetière, avec l’avantage d’être regroupés sur des
sites parfaitement identifiés. En revanche, les autres types de
résidus de bois sont plus dispersés. Il s’agit essentiellement de
palettes, cagettes, résidus de chantier etc.
Les productions cellulosiques dédiées
En France, le projet REGIX financé dans le cadre du Programme
national de recherche sur les bioénergies associe différents
partenaires des secteurs agricole et forestier de l’industrie et de
la recherche. L’un des objectifs de ce programme est de créer un
réseau expérimental national pour étudier les cultures énergétiques
sur le plan des techniques culturales et du point de vue de leur
propension à la transformation.
- – Les plantes annuelles : ces plantes présentent
l’avantage d’être adaptées aux conditions pédoclimatiques du pays
et de s’intégrer facilement dans les systèmes de culture existants.
Des progrès sont envisagés par la sélection génomique visant à
accroître la productivité et réduire la sensibilité aux parasites
et au stress.
- – Les plantes pluriannuelles ou pérennes : dans la
diversification nécessaire des sources lignocellulosiques destinées
à la production de biocarburants G2, les plantes pérennes, qu’elles
soient fourragères (luzerne, ray-grass…), herbacées (miscanthus,
switchgrass…) ou arbustives (taillis à courtes ou très courtes
rotations), peuvent présenter à la fois des avantages en terme de
rendement en biomasse et en terme de réduction de coûts de
production, ainsi que des avantages environnementaux (meilleure
résistance à la sécheresse, plus faibles exigences en intrants).
Mais, s’agissant d’implantation sur plusieurs années, ces plantes
réduisent la marge de manœuvre au sein de la rotation, et la
capacité d’adaptation de l’agriculteur.
La production de biomasse représente un sujet nouveau pour les
acteurs de la sélection variétale. À cet égard, l’amélioration des
rendements en matière sèche et sa composition, constituent autant
de voies d’amélioration de l’efficacité énergétiques des procédés
de seconde génération.
Quelles unités industrielles pour la 2e
génération ?
Le bassin d’approvisionnement en lien avec la voie
technologique
Compte tenu des coûts de production élevés, notamment sur le plan
de l’énergie, la voie thermochimique nécessite des infrastructures
de grandes capacités, de façon à bénéficier d’économies d’échelles
indispensables à la rentabilité du process. Le développement des
biocarburants par cette voie technologique exigera des unités
capables de traiter plus d’un million de tonnes de biomasse par an.
Ces unités devront s’appuyer sur des bassins d’approvisionnement de
grandes dimensions (plusieurs centaines de km de diamètre),
entraînant des coûts logistiques importants. Une des voies
possibles de réduction des coûts est le développement de techniques
de prétraitement et de conditionnement visant à densifier la
biomasse pour faciliter son transport. Le traitement par
torréfaction en amont, est une des solutions de prétraitement
prometteuses.
En raison de différentes synergies avec le secteur pétrolier
(savoir-faire sur le raffinage et le fonctionnement d’unités
industrielles de grande capacité, valorisation des produits de
synthèse), il est possible que les unités de BTL se développent en
lien étroit avec ce secteur. Cependant, l’agro-industrie est aussi
capable de gérer une telle logistique d’approvisionnement, ce qui
peut l’amener également à jouer un rôle dans le développement de
cette filière.
Les biocarburants de seconde génération obtenus par la voie
biochimique pourront, quant à eux, se développer sur des sites
d’éthanol G1, en raison de la similitude des technologies
employées. C’est ainsi que les amidonniers et sucriers seront des
acteurs de premier plan dans le développement de cette nouvelle
génération de biocarburants.
Outre l’utilisation des structures industrielles existantes, les
futures unités d’éthanol G2, pourront s’appuyer sur les bassins de
production actuels et bénéficier ainsi du savoir faire sur le plan
de la production agricole (céréales et betterave), mais également
sur le plan de la logistique de collecte et des relations
commerciales entre acteurs de la filière (contractualisation). Par
ailleurs, la voie biochimique ouvre le débouché de la chimie du
végétal, marché à forte valeur ajoutée.
Chimie du végétal et bioraffineries
Chimie du végétal : un débouché pour les productions
végétales
Outre la production de biocarburant, la voie biochimique est un
vecteur de premier plan pour le développement de la chimie du
végétal (production de produits chimiques renouvelables d’origine
végétale).
La directive REACH concernant les exigences de l’UE en termes
d’évaluation des risques des produits chimiques vis-à-vis de la
santé des consommateurs et de l’environnement, incite à la
recherche de solutions alternatives à la pétrochimie classique. La
raréfaction du pétrole renforce cette nécessité.
La chimie du végétal représente à terme un débouché à forte
valeur ajoutée pour le carbone renouvelable à condition de
concevoir des unités de production adaptées.
Les bioraffineries pour répondre aux enjeux de l’avenir
La production de biocarburants et de produits chimiques d’origine
renouvelable pourrait se développer au sein de complexes
industriels intégrés appelés bioraffineries. Ce concept industriel,
qu’il reste à préciser, valorise selon différents procédés, une
gamme étendue de matières pour produire une variété de produits et
co-produits. Le fonctionnement de ces complexes industriels est
ajusté en permanence suivant des paramètres économiques et
techniques, de façon à optimiser l’efficacité de l’ensemble.
Conclusion
Après plus d’un siècle de domination de l’énergie fossile, le
développement des biocarburants de première génération marque le
début d’un changement de stratégie pour notre approvisionnement en
énergie, offrant ainsi des opportunités pour l’innovation et la
recherche. Les biocarburants de deuxième génération se situent dans
le prolongement de cet élan.
Les unités de première génération en fonctionnement ou en
construction, utilisent des techniques déjà éprouvées. Ces unités
sont engagées dans une démarche de progrès. Des synergies
industrielles existeront entre les unités de première et de
deuxième génération lorsque ces dernières technologies seront
arrivées à maturité industrielle, à l’horizon 2020.
Néanmoins, il est probable qu’à cette date les carburants de
première génération représenteront encore une part non négligeable
de la production communautaire de biocarburants.
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Critères
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De la biomasse sèche aux carburants liquides
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Biodiesel
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Matières premières utilisables
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Large éventail de ressources carbonées sèches : biomasse
(notamment bois, résidus de bois). La biomasse fera l’objet de
prétraitements significatifs tels que la pyrolyse ou la
torréfaction.
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Huiles d’origine végétale, issues de la trituration ou du recyclage
des huiles usagées. Graisses animales.
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Procédés
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- Voie thermochimique :
- – Rupture des chaînes carbonées de la biomasse sous
l’action de la chaleur, de la pression et d’un agent gazéifiant
(O2, H20 ou air). – Obtention d’un gaz de synthèse composé
majoritairement de monoxyde de carbone et d’hydrogène.
- – Purification de ce mélange gazeux. Transformation en
carburants liquides par la synthèse catalytique
Fisher-Tropsch.
- – Raffinage.
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Procédés chimiques d’estérification d’acides gras par réaction d’un
alcool (méthanol ou éthanol) sur des huiles végétales ou corps gras
animaux.
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Taille des unités récentes
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Pour des raisons d’économie d’échelle rendues nécessaires par le
niveau élevé de l’investissement dans l’infrastructure des unités
de production, le volume annuel de biomasse traité sera de l’ordre
1,5 à 7 millions de tonnes, pour une production de
biocarburant de 0,2 à 1 million de tonne
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- 250 000 t/an de biodiesel
- soit 580 000 tonnes de graines de colza.
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Produits finis
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Gaz de synthèse pouvant donner du gazole
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Biodiesel
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Co-produits
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- Chaleur pour production électrique et industrie (54 % du
contenu énergétique de la biomasse).
- Cendres vitrifiées non valorisables en agronomie
- Éventuellement composés minéraux (et organiques) provenant de
l’épuration du gaz de synthèse.
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Tourteaux (alimentation animale), glycérine (chimie, alimentation
animale)
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Localisation des unités
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Sites industriels de grande capacité (industrie pétrolière…) qui
permettent de valoriser la chaleur produite. Importance de la
logistique d’approvisionnement.
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Proche des zones d’approvisionnement de matières premières et/ou
des raffineries pétrolières. Importance de la logistique
d’approvisionnement.
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Acteurs industriels
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Secteur de la pétrochimie, industriels des matières grasses,
industriels de la pâte à papier.
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Industriels des matières grasses, organismes
interprofessionnels
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Enjeux technologiques
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- Lever les verrous technologiques à chaque étape du procédé
industriel, pour maximiser les Tep/ha
- Mise au point de schémas d’approvisionnement et de
prétraitement de la biomasse
- Évolution des procédés (voie allothermique, voie
autothermique)
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- Valorisation de la glycérine Optimisation de l’efficience
énergétique des unités industrielles,
- Évolution des procédés de transformation
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Rendement brut tep/ha
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- À partir de 12 tonnes de matières sèches par
hectare :
- – environ 1,7 tep/ha pour les technologies
autothermiques ;
- – 5 tep/ha pour les technologies allothermiques avec ajout
d’hydrogène et recyclage des produits de synthèse dans le process.
Il s’agit d’une valeur théorique en l’absence d’unité de production
opérationnelle (source MAP d’après IFP, CEA).
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de 1,0 tep/ha brute à 1,4 tep/ha brute pour le biodiesel d’huiles
végétales (source : ONIGC)
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Bilan GES (économies CO2 attendues par rapport au carburant
d’origine fossile)
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- 95 % (gazole Fisher-Tropsh produit à partir de déchets de
bois)
- (source : valeur typique retenue dans la proposition de
directive énergies renouvelables)
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- 44 % pour le biodiesel de colza,
- 58 % pour le biodiesel de tournesol.
- (source : valeurs typiques retenues dans la proposition de
directive énergies renouvelables)
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Concurrence entre filières
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- Concurrence partielle en terme de surfaces.
- Pas de co-produits autres que la chaleur.
- Unités de grosses capacités, impact potentiel sur les bassins
d’approvisionnement, y compris pour les filières bois
traditionnelles.
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Concurrence sur les surfaces et les débouchés. Mais production
simultanée de tourteaux oléagineux (et glycérine) valorisables en
alimentation animale. Développement de la valorisation chimique de
la glycérine.
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Critères
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Éthanol de cellulose
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Éthanol première génération
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Matières premières utilisables
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Matières lignocellulosiques agricoles (paille, pulpe de betterave,
autres cultures ou résidus de cultures), forestières, fraction
cellulosique de déchets et coproduits de l’agro-industrie. Ces
matières seront plutôt fraîches ou humides.
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Sucre, betterave, canne à sucre, amidon de céréales, et manioc…
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Procédés
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- Voie biochimique (procédés proches de ceux de la première
génération) :
- Prétraitement de la matière première lignocellulosique
(séparation de la cellulose, hémicellulose, lignine)
- Hydrolyse enzymatique de la cellulose
- Fermentation des sucres, distillation
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- Hydrolyse de l’amidon
- Fermentation du glucose
- Distillation
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Taille des unités récentes
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Taille comparable à la première génération pour la production
d’éthanol, plus de 450 000 tonnes de paille ou autres matières
lignocellulosiques sèches par an.
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Environ 100 000 t/an à 250 000 t/an d’éthanol
c’est-à-dire 400 000 à 900 000 tonnes de blé ou 1 250 000
à 3 150 000 t/an de betteraves.
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Co-produits
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- Lignine (valorisation en combustible en co-génération ou
éventuellement en chimie du végétal)
- Hydrogène (chimie, énergie)
- Sucres spéciaux et produits dérivés, enzymes.
- Vinasses (pour méthanisation et épandage),
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Drèche (alimentation animale), pulpe (alimentation animale), CO2
renouvelable (industrie de la boisson, transport frigorifique)
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Localisation des unités
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Sur les sites des unités industrielles de première génération et à
proximité des bassins de production.
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Proximité des bassins de production.
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Acteurs industriels
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- Industrie de la première génération
- Industrie papetière
- Industrie de la chimie du végétal
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Industriels du sucre et de l’amidon
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Enjeux technologiques
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Lever les verrous technologiques : prétraitement de la
biomasse, production d’enzymes, optimisation et intégration des
procédés, valorisation de la chimie du végétal
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Optimisation des procédés industriels sur le plan de l’efficacité
énergétique et des émissions de GES
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Rendement brut tep/ha
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- Environ 1,8 à 2,5 tep/ha à partir de 12 tonnes de matière sèche
produite par ha (suivant le degré de valorisation des
hémicelluloses).
- (source : MAP)
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- de 1,4 tep/ha brute à 4,2 tep/ha brutes pour l’éthanol de
céréales, et de betteraves
- (source : ONIGC)
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Bilan GES (économies CO2 attendues par rapport au carburant
d’origine fossile)
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- 87 % éthanol de paille de blé
- (source : valeur typique retenue dans la proposition de la
directive énergies renouvelables)
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- 45 % pour éthanol de blé 69 % pour éthanol de blé en
cogénération paille
- 56 % pour éthanol de maïs, 48 % pour éthanol de
betterave,
- (source : valeurs typiques retenues dans la proposition de
la directive énergies renouvelables)
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Concurrence entre filières
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Concurrence partielle sur les surfaces (la production d’éthanol de
cellulose fera en partie appel aux cultures énergétiques).
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Concurrence sur les surfaces et les débouchés. Mais production
simultanée de drèches et pulpes valorisables en alimentation
animale.
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1 Rappel : la proposition de directive
communautaire relative à la promotion de l’utilisation de l’énergie
produite à partir de sources renouvelables prévoit pour 2020 un
objectif global contraignant de 20 % pour la part des sources
d’énergies renouvelables dans la consommation d’énergie au niveau
de l’UE et un objectif contraignant minimum de 10 % de
biocarburants dans les transports, ceci pour chaque Etat membre. La
France, quant à elle, s’est donnée un objectif d’incorporation de
7 % à l’horizon 2010.
2 Selon une évaluation de la Commission,
les biocarburants de deuxième génération pourraient représenter
3 % des carburants utilisés dans le secteur des
transports.
3 Voir Michael j. O’Donohue, La production
de carburants à partir de biomasse lignocelulosique par voie
biologique : état de l’art et perspectives. OCL 2008 ; 15
(3) : 172-7.
4 Ministère de l’Industrie, DIREM, Bilan
énergétiques de la France (2006) ; TEP : tonne équivalent
pétrole.
5 C. Roy. Coordination de la valorisation
de la biomasse (2005).
6 Commission européenne, Final report of
biofuel Research Advisory Council (2006).
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