Les biocarburants : matières premières

Transcription

Les
biocarburants :
matières
transformation et produits
Élodie Palluet et Pierre-Olivier Pineau
2012-1
premières,
Les Notes thématiques GRIDD-HEC
Numéro
2012 - 1
GRIDD-HEC
Groupe de Recherche Interdisciplinaire sur le Développement Durable - HEC Montréal
Personne ressource
Pierre-Olivier Pineau
Professeur agrégé
HEC Montréal
3000, chemin de la Côte-Sainte-Catherine
Montréal (Québec)
Canada H3T 2A7
Téléphone : (514) 340-6922
Courriel : [email protected]
http://expertise.hec.ca/gridd
Les opinions exprimées et les arguments avancés dans cette publication n’engagent que leur(s)
auteur(e)s et ne prétendent pas forcément couvrir le sujet traité de manière exhaustive.
2
Les biocarburants :
matières premières, transformation et produits
Élodie Palluet1, Pierre-Olivier Pineau2
RÉSUMÉ
Les biocarburants peuvent provenir d’une grande variété de sources de matière premières, qui
elles-mêmes peuvent être transformées de diverses manières pour donner différents produits. Ce
document offre une synthèse des principales sources de biomasse pouvant être utilisées pour les
biocarburants. Une présentation des différentes techniques de transformation est proposée, ainsi
que des différents produits.
Mots clés : biocarburants, biomasse, déchets, éthanol
1
MSc HEC Montréal
2
Professeur agrégé, HEC Montréal
Correspondance : [email protected], [email protected]
3
Table des matières
Introduction ...................................................................................................................................................... 6
Avant de commencer ...................................................................................................................................... 7
Les matières premières ................................................................................................................................. 8
Les algues ........................................................................................................................................................................................... 8
La canne à sucre .......................................................................................................................................................................... 13
Le colza et le canola ................................................................................................................................................................... 14
Les déchets urbains .................................................................................................................................................................... 15
Huile de palme .............................................................................................................................................................................. 16
Le jatropha curcias..................................................................................................................................................................... 16
Le maïs ............................................................................................................................................................................................. 17
Les résidus de bois....................................................................................................................................................................... 20
Le switchgrass .............................................................................................................................................................................. 21
Pongamia pinnata ...................................................................................................................................................................... 22
Le soja ............................................................................................................................................................................................... 22
Les techniques de transformation ........................................................................................................... 22
La voie Thermochimique ......................................................................................................................................................... 23
a.
La Gazéification ............................................................................................................................................................ 23
b.
La Pyrolise ...................................................................................................................................................................... 24
c.
La Méthanisation......................................................................................................................................................... 25
d.
BTL (Biomass to Liquid) ......................................................................................................................................... 26
La voie Chimique ......................................................................................................................................................................... 26
a)
La Transestérification............................................................................................................................................... 26
En bref .............................................................................................................................................................................................. 27
Les différents produits ................................................................................................................................ 27
Biobutanol ...................................................................................................................................................................................... 27
Ceux issus des algues.................................................................................................................................................................. 29
Biodiesel........................................................................................................................................................................................... 29
Éthanol ou bioéthanol............................................................................................................................................................... 32
EMHA (Ester Méthylique d'Huile Animale) ..................................................................................................................... 33
Méthanol ......................................................................................................................................................................................... 33
L’Huile Végétale Brute (HVB) ................................................................................................................................................ 33
4
Contexte Sociopolitique .............................................................................................................................. 33
Bibliographie ................................................................................................................................................. 35
5
Introduction
Si les biocarburants occupent de plus en plus de place dans nos journaux, sites Internet ou même
les débats politiques, l’idée n’est pas nouvelle. C’est en 1900 que Mr Diesel (inventeur du moteur
portant le même nom) présenta lors de l’exposition universelle de Paris le premier moteur
fonctionnant à l’huile végétale (Radich, 2004). L’idée avait alors été abandonnée par manque de
compétitivité avec les hydrocarbures traditionnels. Aujourd’hui, le contexte est tout autre. Le prix
du baril ne cesse de fluctuer atteignant son maximum le 3 juillet 2008 soit 145,33$. Nous notons
également la création de différents supports gouvernementaux aux entreprises, une prise de
conscience environnementale, associée à l’accès au maïs et soja à bas prix (EIA, 2007). Ce
nouvel environnement est plus que propice au développement du marché des biocarburants (EIA,
2007). Ils deviennent alors une alternative à considérer (Haney, 2007).
Figure 1 : Le Cours du Pétrole entre 2003 et 2010 (Prix du Baril-Le Cours Officiel du Baril de Pétrole, 2010)
6
Le Brésil est l’un des initiateurs de l’aventure. Suite au
premier choc pétrolier (1973), le pays met en place le
programme Proalcool en 1975 (Bernard, 2007).
L’objectif est de devenir indépendant sur le plan
énergétique via la création d’un carburant issu de la
culture de la canne à sucre (Bernard, 2007).
À l’intersection de la mode et de la volonté écologique,
l’information proposée est souvent la même. Risque de
famine, accélérateur à la déforestation, tant de points
négatifs qui nous amènent à douter du bien fondé d’un
changement de comportement de la part du
consommateur. Qu’en est-il vraiment? Il faut cependant
tenir compte que, selon le DOE (Department of Energy),
l’AIE (Agence Internationale de L’Énergie) ou l’UE
(Union Européenne), la demande d’énergie dite primaire
augmenterait de 60 à 75% entre 2000 et 2030 (EIA,
2009). Pour combler cette demande croissante, l’énergie fossile pourrait être utilisée, mais à fort
coût et au prix d’une contribution importante aux changements climatiques qui y sont associés.
Cependant, même si les biocarburants sont considérés comme moins polluants, ils demeurent
plus chers à produire (Moreault, 2010).
Dans le but de couvrir les principales données du défi posé par les biocarburants, nous
identifierons dans un premier temps les différentes matières premières possibles. Par la suite,
nous ferons le bilan des technologies de transformation du marché ainsi que leurs stades de
développement; puis nous nous pencherons sur les différents biocarburants auxquels le
consommateur pourrait être confronté. Si nous avons souvent entendu parler de biocarburants
première ou deuxième génération, nous considérons la question sous un angle différent qui vise à
répertorier l’ensemble des possibilités qui s’offre aujourd’hui à nous. Nous pourrons alors mettre
en relief la solution optimale dans le contexte actuel.
Avant de commencer
Si la langue anglaise n’utilise que le terme Biofuel, le français entraîne plus de subtilités :
biocarburants, agrocarburants, nécrocarburants, carburants végétal, carburants verts sont autant
de termes qui peuvent être utilisés dans des contextes plus ou moins différents (Wikipedia, 2010).
Aussi, dans le but de faciliter la lecture de la présente recherche, nous devons définir ce qu’est un
biocarburant au sens scientifique.
Pour nous, et comme le conçoit le terme anglais, la notion de biocarburant correspond à
l’ensemble des carburants produits à partir de biomasse (EIA, 2010). Il est important de
comprendre que la notion de production biologique n’est pas présente dans l’élaboration du
biocarburant. Ce terme, de part sa racine grecque (formé de bios, la vie), nous permet d’indiquer
le fait que la matière première est organique.
7
Les matières premières
Avant toute chose, il est important de comprendre que les ressources en matières premières sont
extrêmement vastes, dans le sens où n’importe quelle matière organique peut être transformée en
biocarburant (EIA, 2010). Cependant, des variables dépendantes telles que le prix, la disponibilité
nationale ou encore les enjeux internationaux et autres pressions gouvernementales, influencent
les multinationales dans leur choix de voie d’exploitation (EIA, 2007). Ainsi, la Belgique cherche
à réaliser son biocarburant à partir de l’huile à friture, le Japon à partir des baguettes en bois et
l’Allemagne à partir des déchets de la fabrication de la bière (Biocarburants.canalblog.com,
2008). On comprend alors que l’élaboration d’un biocarburant national fait partie intégrante de
l’orientation stratégique déterminée notamment par le gouvernement. Également, la culture de
matières premières spécifiques telles que la canne à sucre (Brésil) ou le palmier (Afrique) est un
moyen d’envisager un développement économique indépendant (GBEP, 2007). A la lueur de ces
quelques lignes, on se rend compte que les biocarburants comportent des enjeux économiques,
mais également politiques, importants. Il ne faudra pas l’occulter dans le reste de notre étude.
La rentabilité de l’industrie dépend grandement du prix en vigueur des matières premières. Si
nous prenons l’exemple de l’éthanol issu de la culture du maïs, les dépenses associées à
l’approvisionnement en matière première de 2002 représentaient prêt de 57% des coûts totaux de
production (Shapouri & Gallagher, 2005). En ce qui a trait aux biodiesels, l’approvisionnement
en huile de soja représente entre 70% et 78% des coûts totaux de production (Howell, 2005)
(Pruszko, 2006). Aussi, les fluctuations des prix du marché représentent une donnée importante
dans la réussite (ou non) de l’industrie. La diversification des matières premières peut être une
solution à la réduction du risque encouru (EIA, 2007).
Même si le bassin de matières premières semble infini, nous avons pu identifier les principales
sources. Voici leurs caractéristiques.
Les algues
Avec entre 200 000 et plusieurs millions d’espèces répertoriées (Cadoret & Bernard, 2008), les
algues représentent sans nul doute une opportunité de développement énorme. L’intérêt des
professionnels ne dément pas cette affirmation. Depuis 2009, ce sont prêt de 50 compagnies et
plus de 100 universités qui se sont lancées dans la recherche et le développement de procédés de
production (Oilgae, 2010).
Il est possible de classifier l’ensemble de ces espèces en deux catégories, les microalgues et les
macroalgues, qui offrent des avantages et des inconvénients (Oilgae, 2010) :
Microalgues
Macroalgues
- Culture peu onéreuse
Les avantages
- Contiennent beaucoup d’huile
- Possibilité actuelle de les
utiliser comme matières
premières
Les inconvénients
- Difficile à cultiver de manière rentable
- Certaines espèces sont faibles
8
en lipides
Tableau 1: Comparatif entre les Microalgues et les Macroalgues (Oilgae, 2010)
Nous allons maintenant nous pencher plus en profondeur sur les microalgues. En effet, certaines
de ces espèces sont capables de stocker le carbone absorbé sous forme de lipides (principalement
triglycérides) ce qui permet de les considérer comme matière première probable au biocarburant.
Ces algues sont qualifiées d’autotrophes (Cadoret & Bernard, 2008). Voici les plus « rentables » :
Contenu maximum en lipides (% en poids sec)
Botryococcus braunii
29-75
Chlorella protothecoides
15-55
Cyclotella DI-35
42
Dunaliella tertiolecta
71.4
Hantzschia DI-160
66
Isochrysis sp.
7-33
Nannochloris
6-63
Nannochloropsis
31-68
Neochloris oleoabundans
35-54
Nitzschia sp
45-50
Phaeodactylum tricornutum
31
Pleurochrysis carterae
32-35
Scenedesmus TR-84
45
Stichococcus
9-59
Tetraselmis Suecica
15-32
Thalassiosira pseudonana
21-31
Tableau 2: Contenu Lipidique et diverses espèces (Cadoret & Bernard, 2008)
9
Poussant rapidement (entre 10 et 100 fois plus rapidement que les plantes terrestres) et n’importe
où (étang, sous serre, bioréacteurs), le rendement espéré atteint entre 4 560 et 38 000L / demi
hectare (Cadoret & Bernard, 2008).Certaines espèces peuvent contenir plus de 80% de leur masse
en huile (Christi, 2007). Elles ingèrent au cours de leur développement le CO2 généré notamment
via la pollution humaine [Un kg de biomasse représente, en moyenne, 1.8 kg de CO2 fixé
(Christi, 2007)].Leur caractère unicellulaire leur permet, selon les scientifiques du NREL (John
Sheehan et al) de « synthétiser 20 fois plus d’huile à l’hectare que les plantes terrestres
oléagineuses utilisées pour la fabrication de biocarburants ». Cette donnée est particulièrement
importante. En effet, ce n’est que lorsque le lieu de culture est choisi adéquatement et
stratégiquement que leur exploitation devient rentable (Clarens, Resurreccion, White, & Colosi,
2010). Le CO2 absorbé lors de leur croissance permet aux algues d’envisager un bilan de cycle
de vie positif dans le sens où la quantité absorbée sera plus grande que celle rejetée lors de la
consommation du produit. Cependant, elles nécessitent beaucoup d’eau, de fertilisants et de CO2.
On y voit alors une alternative pour lutter contre la pollution urbaine. Placées près des zones de
production, leur culture peut s’intégrer dans un système de traitement des eaux usées (Clarens,
Resurreccion, White, & Colosi, 2010). La culture des algues peut également être réalisée à partir
d’eau salée (Christi, 2007).
Oil Soure
Biomass
(Mt/ha/yr)
Soy
1-2.5
Rapeseed
3
Palm Oil
19
Jatropha
7.5-10
Microalgae
14-255
Figure 2: Estimation des productivités obtenues en g, m2, j), tiré de (Cadoret &
Bernard, 2008)
Tableau 3: A Summary of Comparison of
Oil and Biodiesel Yield from Main Energy
Crops, tiré de (Oilgae, 2010)
Nous notons cependant que
l’expérience acquise par les
industriels est relativement faible et la rentabilité énergétique n’est pas au rendez-vous (facteurs
influençants de manière aléatoire la production selon l’échelle: ensoleillement, froid, etc.) même
si selon Clarens, Resurreccion, White & Colosi (2010) l’utilisation de 13% du territoire des EtatsUnis d’Amérique permettrait de produire l’équivalent de la consommation annuelle du pays
(contre 41% pour le maïs, 56% pour le Switchgrass et 66% pour le Canola). D’après les
premières recherches, il semblerait que la culture des microalgues ne soit rentable que lorsque
celle-ci nécessite un minimum de main d’œuvre et utilise au maximum l’énergie solaire et la
pollution humaine (d’où l’importance de la localisation des lieux de production).
Co2 fixé
Co2 fixé
Poids sec Poids sec Huile
60%
10
Huile
30%
Huile
60%
Huile
30%
Rendement
9.9%
3%
9.9%
3%
9.9%
9.9%
3%
3%
Unité
g/m2/J
g/m2/J
g/m2/J
g/m2/J
T/ha/an
T/ha/an
T/ha/an
T/ha/an
Almeria
198.7
60.2
108.6
32.9
237.8
118.9
72.1
36.0
Amsterdam 108.9
33.0
59.5
18.0
130.4
65.2
39.5
19.8
Atacama
237.7
72.0
129.9
39.4
284.5
142.2
86.2
43.1
Florence
150.2
45.5
82.1
24.9
179.7
89.9
54.5
27.2
Honolulu
191.6
58.1
104.7
31.7
229.3
114.7
69.5
34.7
Lisbonne
181.9
55.1
99.4
30.1
217.7
108.8
66.0
33.0
Madrid
172.9
52.4
94.5
28.6
206.9
103.4
62.7
31.3
Negev
197.3
59.8
107.8
32.7
236.2
118.1
71.6
35.8
Nice
163.9
49.7
89.5
27.1
196.1
98.1
59.4
29.7
Paris
121.6
36.8
66.4
20.1
145.5
72.7
44.1
22.0
Perth
216.1
65.5
118.1
35.8
258.6
129.3
78.4
39.2
Prague
111.7
33.8
61.0
18.5
133.6
66.8
40.5
20.2
Rome
150.4
45.6
82.2
24.9
179.9
90.0
54.5
27.3
Sahara
224.7
68.1
122.8
37.2
269.0
134.5
81.5
40.8
Tableau 4: Potentiel de Captation de CO2 et de production d'huile en fonction de la localisation, du rendement et
de la teneur en lipides (D'après Cadoret et Bernard, 2008)
Parmi les nombreux investisseurs du secteur, nous notons la présence de nombreux industriels.
En voici quelques-uns :
Firme
Pays
Produit
Alguafuel
Portugal
Biodiesel
Aurora Biofuels
USA
Biodiesel
Kumho Petrochemical
Corée
Biodiesel
LiveFuels
USA
Biodiesel
Seambiotic
Israel
Biodiesel
Solix
USA
Biodiesel
Algenol
Mexique
Éthanol
ExxonMobil
USA
-----
11
Sapphire
USA
Biodiesel
Solazyme
USA
Biodiesel
StatoilHydro
USA
Biodiesel
Synthetic Genomics1
USA
-----
Tableau 5: Les Principaux Investisseurs du secteur de l'algue
On remarque que la majorité des produits finaux est du biodiesel. Cependant, il est important de
noter que de multiples carburants peuvent être issus de cette matière première : biodiesel, ethanol,
méthane, kérosène, biocrude (Oilgae, 2010).
Soulignons également que l’idée du bioréacteur fût nommée invention de l’année en 2006 par le
cabinet Frost & Sullivan. Comment cela fonctionne? Comme nous l’avons vu, les algues
nécessitent du CO2 pour leur croissance (photosynthèse). Elles sont alors déposées dans des
tubes transparents pour bénéficier de la lumière du jour. Les installations industrielles
environnantes dégagent des gaz toxiques qui sont introduits dans ces tubes. Les algues absorbent
naturellement le CO2 présent avant qu’ils ne soient relâchés dans l’atmosphère. Par temps
ensoleillé on parvient à éliminer plus de 82% du CO2 contenu dans les gaz et ce pourcentage
passe à 50% par temps nuageux.
Depuis 2006, le programme Shamash (http://www-sop.inria.fr/comore/shamash/index.html2)
vise à produire un biocarburant à partir de microalgues autotrophes. Pour se faire, de nombreux
spécialistes (culture, physiologie, utilisation, optimisation des procédés biotechnologiques, des
biocarburants et de l’extraction et de la purification des lipides) travaillent ensemble. Notons que
ce programme est financé en partie par le groupe PSA Peugeot Citroën et EADS.
Concrètement, on estime qu’entre 2009 et 2014, l’investissement des industriels pour le
développement des biocarburants produits à partir des algues augmentera de plus de sept points.
En effet, le pourcentage des investissements passera de 1.02% à 7.68% des investissements
globaux réalisés dans les biocarburants. [Note Elodie : base de données database biofuel digest de vitor :
Je ne la trouve pas malgré les informations qu’il m’a donné mi-juin.]
1
2
Programme de recherche sur les algues avec ExxonMobil Research and Engineering Company
La section liens du site offre plus de renseignements quant aux apports de ce type de matières premières.
12
Figure 3: Les différents produits énergétiques obtenus par les algues (tiré de Oilgae, 2010)
La canne à sucre
La canne à sucre est l’une des matières premières la plus utilisée aujourd’hui dans le cadre de la
production de biocarburants (EIA, 2009). Elle l’est principalement au Brésil où la production y
est intense (EIA, 2009). Bien que sa transformation en alcool soit une des manipulations les plus
simples, sa culture nécessite des terres fertiles et empiète sur les ressources alimentaires
disponibles (EIA, 2009). Ces deux dernières spécificités représentent des inconvénients non
négligeables dans l’élaboration de ces nouveaux biocarburants. De plus, le rendement énergétique
de l’éthanol obtenu à partir du sucre est satisfaisant bien que n’égalant pas celui atteint par les
hydrocarbures traditionnels. D’après le Département de l’agriculture des Etats-Unis, un demi
hectare de canne à sucre produirait 665 gallons d’éthanol (au Texas). [Note Elodie : Je ne retrouve
pas de référence => le garde t’on ou avez vous déjà cette information?]
L’un des défis d’innovation, dans le but de devenir plus rentable, est de trouver comment
transformer efficacement le reste de la plante, notamment la bagasse. En effet, le sucre ne
contient que 1/3 de l’énergie de la plante. [Note Elodie : Bagasse et plante : N’as tu pas un article que tu
aurais écris qui permettrait de justifier ces propos?]
En 2009, les principaux investisseurs furent :
13
Firme
Pays
Produit
Amyris
US California
Ren F&C
Amyris
Brazil
Ren F&C
Green Future Innovations
Philippines
Éthanol
Ledesma
Argentine
Éthanol
Maple Energy
Pérou
Éthanol
Mumias
Kenya
Éthanol
Petrobras
Brésil
Éthanol / Biodiesel
Principle Energy
Mozambique
Éthanol
Shree Renuka
Brésil
Éthanol
Tarlac - General Santos
Philippines
Éthanol - Biodiesel
Virent
US Wisconsin
Diesel
Tableau 6:: Les Principaux Investisseurs du secteur de la canne à sucre
[Note Elodie : C’est encore une table de vitor… mais je n’ai pas l’original…]
Le colza et le canola
Le colza est la matière première qui permet de
Utilisation du canola produire l’huile de colza qui sera utilisée comme
intrant pour la production de biocarburant. En
millions de tonnes
2007, le Brésil
sil était le plus gros producteur de
colza (12.2 millions de tonne par an) mais ne le
Biodiesel
transformait pas en biocarburant (Wapler, 2007).
2,5
Pourquoi? Les coûts de transformation sont
6,5
généralement plus élevés que pour le sucre et
Utilisation
le maïs (Wapler, 2007).. Si l’Europe,
l’Eur
elle,
alimentaire
transforme 60% de sa production en
5
Exportation
biocarburant, ce n’est que grâce à la présence
des graines
de subventions gouvernementales (Wapler,
2007).. En France, 90% de la production de
biodiesel communautaire est réalisé à partir du Figure 4: La production de canola au Canada atteindra 14
millions de tonnes avant 2015 (Conseil du Canola au
colza (ONIOL, 2004).
Canada, 2006).
Sa culture possède de nombreux avantages. La
plante limite la fuite des nitrates dans les
nappes phréatiques : en étant planté au mois
d’aout et récolté seulement au mois de juillet
14
Figure 5:: Exploitation du colza (AIGx, 2007)
de l’année suivante, la matière végétale permet d’empêcher l’érosion des sols durant l’hiver
(Maison de l'environnement, 2006). Également, le contenu oléagineux de la récolte (N.B huile
végétale) a dépassé en 2005 44% de la plante (Conseil du Canola au Canada, 2006). Cela la
positionne comme une des meilleures matières premières d’origine oléagineuse, les autres ayant
des contenus en huile plus faible (exemple du soja). Aussi, cela nous amène à penser que sa
culture risque d’augmenter significativement dans les prochaines années (Conseil du Canola au
Canada, 2006) [voir figure 4]
La plante peut être cultivée sur une terre en jachère industrielle ce qui évite une perte de
productivité totale notamment pour les agriculteurs (Valbiom, 2006).
Il est également important de noter que les co-produits sont importants dans la culture du colza et
son également très rentables (AIGx, 2007).
Les déchets urbains
Bien que la conscience écologique soit croissante, une des premières conséquences visibles de
l’activité humaine est l’accumulation des déchets. Depuis peu, les municipalités apportent des
changements dans la gestion de ces détritus et agissent directement : une étude parue en 2006
montrait alors que lorsque les canadiens avaient accès à un programme de recyclage, plus de 95%
d’entres eux y participaient (Le Quotidien, 2007). Entre 2002 et 2006, le nombre de déchets
éliminés au Canada est passé de 24 081 371 tonnes à 27 249 178 tonnes (Statistique Canada,
2010). On comprend alors l’intérêt de cette source de matières premières pratiquement
inépuisable. Permettant de régler le problème de toutes les villes du monde qui voient leur
population augmenter (Figure 6), cette source de matières premières serait donc idéale (SCI,
2009). Cependant, elle reste de mauvaise qualité et est donc difficilement transformable en un
produit rentable tant sur le plan énergétique qu’économique.
9
8
Population urbaine mondiale
(en milliard d'habitants)
7
6
5
Population urbaine des
régions les plus développées
(en milliard d'habitants)
4
3
Population urbaine des
régions les moins
développées (en milliard
d'habitants)
2
1
0
1950
1975
2000
2005
2030
Figure 6: Augmentation de la population urbaine mondiale (United Nations, 2006)
15
Huile de palme
L’huile de palme a déjà beaucoup fait parler d’elle. Actuellement, c’est la deuxième matière
première organique utilisée pour la réalisation de biocarburants (Friends of the Earth, 2006).
Avec un rendement exceptionnel (5 000 litres par hectare et par an), les pays d’Afrique, la
Malaisie et l’Indonésie ont vu, en son exploitation, un vecteur de développement exceptionnel et
sont aujourd’hui les principaux producteurs mondiaux (Pin Koh & Wilcove, 2008). En effet, 90%
de la production mondiale provient de ces pays (Friends of the Earth, 2006). Les investisseurs
sont présents comme par exemple, Cargill, Alliance ADM-Kuok-Wilmar, Synergy Drive et Duta
Palma. Il est à noter que la récolte du fruit nécessite une main d’œuvre conséquente, ce qui ne
permet son exploitation que dans des pays où le salaire est faible. Aussi, la culture de l’arbre s’est
accentuée, amenant une déforestation massive (Pin Koh & Wilcove, 2008). Les associations
écologiques telles que Greenpeace ont alors exprimé leur point de vue quant à son exploitation
massive (Nb : campagne « Ask Nestlé to give a rainforests a break », 2010). En 2007, un rapport
de l’association, La Palme du Réchauffement (Greenpeace France, 2007), estimait que 10 des
22,5 millions d’hectares de Tourbières d’Indonésie avaient déjà été détruits, ce qui entraînait une
augmentation substantielle et continue des gaz à effet de serre (sols asséchés, oxydés voire
brûlés). La déforestation serait responsable de 10% à 30% des émissions de gaz à effet de serre
(Friends of the Earth, 2006). Certains estiment même que d’ici 2022, 98% de la forêt
indonésienne et malaisienne aura disparu (Mackinnon, 2007).
Le jatropha curcias
Le jatropha est une plante ayant la capacité de pousser sur des terres dites non fertiles et ne
nécessitant aucun entretien (BioZio, 2010). On l’appelle d’ailleurs la plante du désert. Sa culture
permet alors d’utiliser des parcelles non exploitables jusqu’alors et surtout de les rendre
rentables. De manière générale, si la plante est capable de produire dès la première année, il faut
attendre deux à trois ans avant que son exploitation soit profitable (BioZio, 2010). On estime
aujourd’hui la production de biodiesel issu du Jatropha à près de 1 892 litres par hectare et par an
(Christi, 2007). La graine peut produire entre 30% et 40% d’huile et est considérée aujourd’hui
comme la deuxième plante ayant le plus fort rendement (au sens de Yield) après l’huile de palme
(BioZio, 2010). Selon Aboubacar Samaké, chef du programme national de valorisation
énergétique de la plante pourghère (PNVEP), le coût de production d’un litre d’huile peut être
estimé entre 0,25 euros et 0,38 euros (Traore, 2005) soit 0,34 $ CAN et 0,52 $ CAN3.
C’est également un vecteur de développement qui séduit de plus en plus de pays émergents tels
que l’Inde, les Philippines, l’Indonésie, l’Afrique du Sud, le Burkina Faso, le Mali, le Ghana, le
Malawi, le Zambie et dernièrement Madagascar. Leur enthousiasme est accentué depuis qu’une
firme londonienne, D1, a décidé de se lancer dans l’aventure (voir programme de l’entreprise). Il
faut dire que la plante est plutôt attrayante. Outre ses facultés de croissance intéressante, l’huile
obtenue, plus communément appelée l’huile de pourghère, contient plus d’oxygène que de
monoxyde de carbone. De plus, lors de son utilisation comme biocarburant, le gaz carbonique
habituellement rejeté, est remplacé par de la vapeur d’eau. Entre 2000 et 2009, le nombre de
compagnies du secteur est passé de 1 à 275 et on estime qu’il sera de 700 d’ici 2015 (BioZio,
2010).
3
Selon les cours du 20 juillet 2010
16
Nous notons également que les déchets issus de la culture du Jatropha peuvent être utilisés en tant
que fertilisants de par une concentration de protéines et nitrogène (BioZio, 2010)
2010).
Aujourd’hui, l’objectif premier de l’industrie est d’augmenter le rendement de la plante. Nous ne
citerons que l’exemple de l’Institut de l’Énergie et des Ressources (TERI) de New Dehli qui a
investi massivement
ssivement dans un programme de recherche (9,4 millions de dollars sur 10 ans) pour
que la culture du Jatropha Curcias passe du stade artisanale à la production massive. Pour se
faire, des micro-organismes
organismes seraient implantés dans les graines afin d’augmenter
d’augmente l’efficacité
nourrissante des racines.
Figure 7:: Processus de production du biodiesel à partir du jatropha (BioZio, 2010)
Properties
Jatropha Oil
Jatropha Biodiesel
Diesel
Density, g/ml
0,929
0,865
0,841
Viscosity @40 0c . cs
40-50
4,5-5,2
4,5
Calorific value, MJ/
KG
39,7
39,2
42,0
Flash Point, 0c
240
165-175
50
Cloud Point, 0c
16
13
9
Sulphur %
0,13%
0,13%
1,2 % or less
Certane Value
51
58,4
47,8
Tableau 7:: Propriétés principales de l'huile de Jatropha et de son biodiesel (BioZio, 2010)
Le maïs
Le maïs est principalement utilisé aux USA (EIA, 2007) et nous remarquons par ailleurs une
augmentation des surfaces cultivées depuis ces dernières années (Collins, 2007).
2007) Si l’expérience
de l’industriee est assez élevée et que le rendement reste satisfaisant (370 à 430 gallons par demi
17
hectare selon le Food and Agriculture Organisation (FAO, 2008)), l’énergie issue du maïs reste
inférieure à celle contenue dans l’énergie fossile traditionnelle (EIA, 2007) :
Fuel
Btu per gallon (low
heating value)
BTU per gallon (High
heating value)
Gallons of gasoline équivalent
(High heating value)
Conventional
gasoline
115,500
125,071
1.00
Fuel éthanol (E100)
76,000
84,262
0.67
E85 (74 % blend on
average
---
94,872
0.76
Distillate fuel oil
(diesel)
128,500
138,690
1.11
Biodiesel (B100)
118,296
128,520
1.03
Tableau 8: Énergie contenue par biocarburant (EIA, 2007)
Ce tableau met en évidence une différence de rentabilité énergétique qui se traduira de façon
plus pratique en une réduction de la distance parcourue par gallon lorsque le biocarburant sera
utilisé dans des engins conçus pour rouler au gazole ou diesel (EIA, 2007). Aussi, au final, plus le
pourcentage d’éthanol contenu dans le carburant est élevé, plus la distance parcourue par
gallon diminuera (EIA, 2007). Il est à noter également qu’un gallon du liquide ne contient que les
⅔ de l’énergie contenue dans un gallon de carburant traditionnel (EIA, 2007).
Cependant, malgré des résultats qui peuvent sembler décevants, le maïs reste la matière
première la plus attrayante pour la production d’éthanol (EIA, 2007). Pourtant, sa production
reste problématique. La plante garde une vocation alimentaire et nécessite des terres fertiles
pour sa culture. De fait, l’un des défis majeurs, tout comme pour la canne à sucre, est d’arriver à
transformer de manière rentable tant énergétiquement qu’économiquement parlant,
l’ensemble de la plante. C’est ce qu’on appelle l’exploitation des co-produits (EIA, 2007).
Co-products
Volume produced (lb
/100 lb of feedstocks
Approximate value
($/lb)
Corn gluten feed
24.0
0.033
Corn gluten meal
4.5
0.135
Corn oil
2.9
0.260
Cron, dry mill
Dried distillers’ grains and solubles
30.5
0.045
Sugar
Sugar stlaks, bagasse
27.0
---
Biofuel feedstock
Ethanol
Corn, wet mill
18
Cellulosic ethanol
Switchgrass
Lignin
27.0
---
Hybrid poplar
Lignin
27.0
---
Forest residue
Lignin
27.0
---
Agricultural
residue
ligini
27.0
---
Soybeans
Meal (44-48% protein)
80-82
0.097
Canol
60-62
0.079
Sunflowe
Meal (28% protein)
60-63
0.035
Mustard
60-62
---
Coton
Meal (41% protein)
84-86
0.088
Crude glycerin
10
0.050
Biodiesel
Tableau 9: Production U.S and valeurs des co-produits des biocarburants (EIA, 2007)
De plus, l’augmentation de sa production influence directement le marché alimentaire. Ce
dernier subit en effet l’augmentation des prix due à la hausse de la concurrence (Baker &
Zahniser, 2006). On remarque également que la proportion du maïs utilisée pour la production
de biocarburants par rapport à la production totale U.S., ne cesse d’augmenter (tableau 10).
Year
1980
1981
1982
1983
1984
1985
1986
1987
1988
1989
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
U.S. Corn
Production
Million Tons
169
206
209
106
195
225
209
181
125
191
202
190
241
161
255
188
235
U.S. Grain
Production
Million Tons
268
328
331
206
313
345
313
278
204
282
310
278
350
257
353
275
333
U.S. Corn Used for Fuel
Ethanol
Million Tons
0,9
2,2
3,6
4,1
5,9
6,9
7,4
7,1
7,3
8,2
8,9
10,1
10,8
11,6
13,5
10,1
10,9
19
Share of U.S. Grain Used for
Fuel Ethanol *
Percent
0,3
0,8
1,1
1,2
2,9
2,2
2,1
2,3
2,6
4,0
3,1
3,3
3,9
3,3
5,3
2,8
4,0
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
234
248
240
252
241
228
256
300
282
268
331
307
312
334
347
332
340
321
294
345
386
363
335
412
401
392
12,2
13,4
14,4
15,9
17,9
25,3
29,7
33,6
40,7
53,8
76,9
92,7
104,1
3,7
4,0
4,1
4,8
5,3
7,9
10,1
9,7
10,6
14,8
22,9
22,5
26,0
Tableau 10: Production U.S de maïs et son utilisation pour les biocarburants entre 1980 et 2009 (Vidal, 2010)
De plus, il est important de comprendre que la culture du maïs dans le cadre de l’élaboration
d’un biocarburant peut permettre de sauver 35% des émissions de gaz à effet de serre…ou d’en
générer 30% de plus, dépendamment de la manière dont il est cultivé puis transformé (voir les
techniques de transformation).
Et c’est ici que réside toute la complexité des biocarburants et des produits se voulant écoresponsables. L’effort des industriels ne doit pas uniquement porter sur le choix d’une
technique de transformation ou d’une matière première. Au contraire, l’ensemble du cycle de
vie du produit doit être analysé afin que les actions entreprises soient couronnées de succès. Si
cette condition n’est pas respectée, les conséquences pourraient être néfastes pour
l’environnement.
Les résidus de bois
Le Canada possède la troisième plus grande superficie forestière au monde (Charron, 2005).
L’exploitation des résidus forestiers dans l’élaboration de biocarburants permettrait d’utiliser
les déchets d’une industrie pour en faire fonctionner une autre. De ce fait, nous pouvons
estimer que cette source est importante mais dépendante d’une industrie spécifique (EIA,
2009). On estime que l’Australie pourrait produire 20% de l’énergie nécessaire au pays par la
valorisation des déchets forestiers; la Finlande en produisait 22% en 2006 et l’Union
Européenne prévoit d’en produire 12% à court terme (The Age, 2006).
Alors que la gestion des forêts au Québec (et ailleurs dans le monde) subit de nombreuses
critiques, la récupération des déchets s’inscrirait totalement dans la logique d’exploitation
durable et responsable appelée « Gestion intégrée » [« Aménagement qui maintient et améliore
la santé à long terme des écosystèmes forestiers dans l’intérêt du vivant, tout en offrant des
possibilités environnementales, économiques, sociales et culturelles aux générations
d’aujourd’hui et de demain » (Service canadien des forêts, 2001)]. Au Canada, cette technique
de gestion contient plusieurs volets (Charron, 2005) :
- La gestion écosystémique
- Les collectivités forestières durables
- Les droits et la participation des peuples autochtones
20
-
Les avantages des produits forestiers
Le savoir et l’innovation au service de la compétitivité et de la durabilité
La forêt urbaine et la mobilisation du public envers la durabilité
La participation des boisés privés à la durabilité
La reddition des comptes
En effet, alors que le monde s’indigne de la destruction du poumon de la terre, les industriels
doivent réapprendre à exploiter la forêt mais également à la cultiver. La gestion des déchets est
alors une problématique à résoudre. Cela pourrait être le moyen pour l’industrie forestière de
créer une source de revenus par leurs ventes mais également de permettre le développement
d’un biocarburant national voire provincial. C’est d’ailleurs l’un des projets développés
actuellement par la forêt de Fundy au Nouveau-Brunswick (Ressources Naturelles Canada,
2008). L’impact de cette récupération ne s’arrêterait pas au secteur forestier mais toucherait
d’autres secteurs tel que celui des pâtes et papiers (Cascades, Domtar, Abitibi Bowater), moteur
de l’économie québécoise (Nadeau, 2008).
L’ensemble de ces données reflète tout l’intérêt que suscite la conversion des déchets en
biocarburants. Le programme écoÉnergie vise à soutenir cette initiative notamment via un
investissement sur neuf ans de près de 1,5 milliards de dollars (Treasury Board of Canada
Secretariat, 2008)
Proprement dit, on estime que l’exploitation des résidus forestiers permettrait de supprimer 80
à 90% des émissions de gaz à effet de serre par rapport à l’essence (Desjardins, 2009).
Cependant, l’expérience acquise est très faible et la transformation de ce type de matière
première est plus complexe (voir section suivante). En effet, elle nécessite la culture d’enzymes
permettant de rompre la chaîne cellulosique du bois lorsque la voie biochimique sera choisie
(Ragauskas). Ceci suppose donc un coût additionnel.
Le switchgrass
Le switchgrass (« panic dressé » en français) est une plante vivace rhizomateuse, ce qui lui
permet de résister à divers climats. Elle pousse principalement aux Etats-Unis d’où elle est
originaire (Bransby, 2006). Si pendant de nombreuses années l’objectif était de l’anéantir, nous
nous sommes rendus compte, d’une part que sa présence était bénéfique pour l’environnement
(les racines de la plante permettent un maintien des sols); et que d’autre part, son exploitation
pouvait être rentable (Barthelemi, 2007). De plus, elle ne nécessite pas de terres fertiles (Bransby,
2006).
Ce n’est que depuis 2006 et le discours de G.W. Bush (State of the Union) que la plante est
considérée comme une matière première potentielle aux biocarburants (C-Span, 2006). En effet,
il est possible de l’utiliser comme matière première à l’éthanol cellulosique. De plus, son
rendement énergétique est impressionnant (1 000 gallons par demi-hectare) et nettement
supérieur à celui du maïs également cultivé dans ce pays (multiplié par quatre (EIA, 2007)). On
estime que la plante produit 540% d’énergie par rapport à l’investissement énergétique de sa
culture (Schmer, Vogel, Mitchell, & Perrin, 2008). Une de ces caractéristiques principales est
21
également de capter énormément d’énergie solaire et de la transformer en énergie chimique (Oak
Ridge National Laboratory, 2006).
Concrètement, même si en se développant d’autres espèces virent le jour (principalement utilisées
comme fourrage), il existe deux types de Switchgrass (Bransby, 2006) :
•
•
Celui poussant sur les terres hautes (upper land). Il atteindra entre 1,5 et 2 mètres et est
adapté aux sols très secs.
Celui poussant sur les terres basses (low land). Il atteindra jusqu’à 3,7 mètres et est
généralement situé sur des sols lourds en bas fond.
Le switchgrass n’atteindra son rendement maximal qu’au bout de trois ans (Bransby, 2006).
Deux récoltes par an sont envisageables, ce qui offre des perspectives de production intéressantes
(Bransby, 2006). De plus, la plante possède une des capacités les plus élevées à séquestrer le
carbone tout au long de sa croissance, ce qui en fait un allié dans la course à la réduction des
émissions de gaz à effet de serre (Bransby, 2006). Notons également que la transformation en
biocarburant semble relativement simple : elle peut être directement liquéfiée, gazéifiée ou brûlée
(Oak Ridge National Laboratory, 2006).
Au final, les estimations d’émission de gaz à effet de serre de l’éthanol issu du switchgrass sont
94% inférieures à celles émises par l’essence (Schmer, Vogel, Mitchell, & Perrin, 2008).
Pongamia pinnata
Le Pongamia Pinnata est un arbre à croissance rapide. Il a la particularité de fixer l’azote et de
pousser dans des conditions très rudes (résistance à la sécheresse, terres non fertiles). L’Inde, tout
comme pour le Jatropha Curcas, encourage sa plantation afin de produire de l’huile végétale qui
pourra servir à l’élaboration de biocarburant. Dès ses 10 ans, on estime que le rendement de
l’arbre atteindra 5000 litres d’huile par hectare et par an (semblable à celui de l’huile de palme vu
précédemment).
Le soja
On estime que les coûts de fabrication d’un gallon de biocarburant issu du soja se situent entre
1,80$ et 2,40$ (EIA, 2007). Les dépenses associées à l’approvisionnement en matière première
représente 70% à 78% des coûts de production finaux (varient entre 0,20$ et 0,30$ la livre) (EIA,
2007). Historiquement, l’huile de soja a toujours été un surplus industriel et donc disponible en
grande quantité (EIA, 2007).
Les techniques de transformation
Aujourd’hui, pour créer un biocarburant dénié de toute impureté, nous sommes en mesure de
distinguer 3 grandes avenues de transformation. Chacune d’entre elles se déclinent en plusieurs
possibilités. Il est important de comprendre que le type de matières premières utilisé va influencer
le processus de transformation.
22
La voie Thermochimique
La voie thermochimique consiste tout d’abord à dégrader la biomasse pour en extraire un gaz de
synthèse. Ce dernier sera à son tour synthétisé pour être transformé en hydrocarbure qui pourra
être ajouté au carburant actuel. Ce processus est considéré comme la voie la plus robuste selon
Sylvie Rougé, chef de projet biomasse à la Direction de l'énergie nucléaire (Grenoble) du CEA
(France)(CEA Techno(s), 2008)
On distingue quatre principales déclinaisons : la gazéification, la pyrolise, la méthanisation, le
BTL (Biomass To Liquid).
Figure 8 : Illustration de la voie thermochimique (planete-energie.com)
a. La Gazéification
La gazéification consiste en une décomposition thermique des substances organiques solides en
élevant la température entre 900 oc et 1100oc en milieu oxygéné ou en présence de vapeur d’eau
(National Renewable Energy Laboratory, 2009). Le gaz obtenu, très riche en hydrogène (80 à
85%) est appelé Singaz (National Renewable Energy Laboratory, 2009). Ce produit est
particulièrement intéressant car il répond à toutes les spécifications nécessaires pour le transport
des carburants issus de la biomasse (National Renewable Energy Laboratory, 2009).
On estime qu’une tonne de déchets peut générer 0,4 kilowatts d’électricité par heure (Ballerini &
Alazard-Toux, 2006). N’importe quelle biomasse peut être utilisée, comme par exemple les
résidus de l’exploitation forestière. Même si le procédé n’en est encore qu’au stade de
démonstration, les États-Unis semblent trouver cette technique fort intéressante. Le pays accorde
des subventions significatives pour que les entreprises et laboratoires développent le procédé.
23
CO2
Gazéificati
on
Gaz de tête
de FT
Biomasse
Réaction de SHIFT
Conversion
HT
Purge
n-naphta
Condensats de FT
Synbrut
Unité FISHER-TROPSCH
Cires de FT
Eau de FT
H2
Hydrocraqueur
isomérisant
Extraction du
CO
i-naphta
Gazole
Kérosène
Figure 9 : Schéma d'ensemble du procédé de gazéification associé au procédé de synthèse de
Fisher-Tropsch (Ballerini & Alazard-Toux, 2006)
b. La Pyrolise
La pyrolise est également une technique de décomposition thermique de substances organiques
dans un milieu avide d’air (National Renewable Energy Laboratory, 2009). Cependant, elle a lieu
à des températures variant entre 450 et 500 oc (Ballerini & Alazard-Toux, 2006). Un de ses
grands avantages est qu’elle permet de diminuer le gaspillage d’énergie et qu’elle s’adapte à
plusieurs types de biomasses agro-forestières et autres résidus de transformation (Ballerini &
Alazard-Toux, 2006). En effet, les résidus de l’exploitation agricole et forestière sont brûlés sur
place après les récoltes. De plus, c’est une technique de transformation qui permet de détruire les
pathogènes contenus dans des matériaux potentiellement dangereux tels que les abats d’animaux.
Elle permet également de retourner au sol les nutriments N, P, K, C via la répartition du charbon
pyrolytique (Ballerini & Alazard-Toux, 2006).
Les produits issus de cette technique de transformation de matières premières sont (Ballerini &
Alazard-Toux, 2006) :
-
Les biohuiles (60-65%) également appelées « huiles pyrolises ». Elles peuvent être raffinées
pour être utilisées comme carburants (National Renewable Energy Laboratory, 2009).
- Le Charbon (20-25%)
- Le gaz (10-15%). Les principaux sont : CO2, CO, H2, et sont principalement utilisés dans le
procédé lui-même comme source d’énergie.
24
Biomass
e
Gaz
a
PCI
Moyen
RDT :
70-80% en
masse
Rendement Énergétique : 80%
Vitesse
de
Chauffage
élevée
(>100oc/s)
Température
élevée
(>800oc)
Pyrogazéification
Huile
RDT :
50-80% en
masse
Vitesse
de
Chauffage
(>100oc/s)
Température
faible
Pyrolyse rapide ou flash
Charbon
végétal
RDT :
25-35% en
masse
Vitesse
de
(<50oc/min)
Température
Pyrolyse lente
Chauffage
faible
élevée
(500oc)
faible
(500oc)
Figure 10: Produits majoritaires obtenus par pyrolise de la biomasse à pression atmosphérique selon les
conditions de température et de vitesse de chauffe (rendement énergétique: contenu énergétique de produits,
contenu énergétique de la biomasse (Ballerini & Alazard-Toux, 2006)
On constate avec ce tableau qu’il existe plusieurs types de pyrolyses :
-
La pyrolyse rapide : elle nécessite un taux élevé de particules de chauffage et une courte
période de transfert de chaleur à la biomasse(National Renewable Energy Laboratory, 2009)
La pyrolyse lente (Ballerini & Alazard-Toux, 2006)
L’expérience de l’industrie est assez élevée même si le procédé n’en est encore qu’au stade de
démonstration.
c. La Méthanisation
La méthanisation (ou digestion anaérobie) consiste en la transformation de matière organique en
biogaz (Moletta, 2008). Cette dégradation de la matière organique en l’absence d’oxygène donne
naissance à plus de 90% à du biogaz, le méthane (Ballerini & Alazard-Toux, 2006) ; le reste étant
du gaz carbonique.
Historiquement, le processus de méthanisation n’est pas nouveau. Dès les années 1940, il fut
utilisé à partir du fumier (Moletta, 2008). Dans les années 1970, l’application s’est étendue au
traitement des eaux usées amenant ainsi de nombreuses applications industrielles :
agroalimentaires, chimiques, pétroliers, agricoles (Moletta, 2008). Aujourd’hui, il est vu comme
un outil de dépollution créant de surcroit une énergie « verte », car la matière première est
d’origine vivante (animale ou végétale)(Moletta, 2008). Le méthane produit est un avantage
considérable.
La Suède l’a d’ailleurs bien compris et a lancé en 2009 un vaste programme de valorisation du
recyclage de la matière organique et la récupération du biogaz.
Il est à noter également que les résidus de la fermentation peuvent être utilisés comme fertilisant
organique.
25
d. BTL (Biomass to Liquid)
Cette technique vise à transformer la biomasse en hydrocarbures liquides (de type gazole) en
passant par une étape de gazéification (voir vidéo de présentation) (Actu-Environnement,
Inconnue). On estime à 4m3 le volume de biocarburant pouvant être issu par hectare et par
année(European Biofuels Technology Platform, 2010). Le fait de passer par la gazéification de la
biomasse permet de rendre la technique simple et ce, quelque soit la matière première (European
Biofuels Technology Platform, 2010). On peut, en effet, épurer le gaz obtenu et ajuster également
la proportion des composantes du produits (notamment en hydrogène et monoxyde de carbone)
(European Biofuels Technology Platform, 2010). Cependant, il est important de comprendre que
pour le type de matières premières utilisées ainsi que pour le type de débouchés visés (gazole
Fisher-Tropsch, méthanol, DME), la technique est modifiable à chacune des étapes de
transformation; à savoir le prétraitement, la gazéification, la purification et, pour finir, la
valorisation du gaz de synthèse (Ballerini & Alazard-Toux, 2006). Aussi, il est possible de dire
qu’il existe de multiples combinaisons possibles pour le BLT.
Pour aller plus loin, développons le processus de transformation Fisher-Tropsch. Il consiste en
une réaction chimique au cours de laquelle le monoxyde de carbone et l’hydrogène sont convertis
en hydrocarbones liquides(European Biofuels Technology Platform, 2010). Ce processus est déjà
très connu et appliqué dans de nombreux domaines. Nous notons que nous devons son invention
aux allemands durant la seconde guerre mondiale (European Biofuels Technology Platform,
2010).
De manière générale, le BTL est actuellement au stade de démonstration et les produits issus de
cette technique de transformation ne sont donc pas disponibles sur le marché (European Biofuels
Technology Platform, 2010).
La voie Chimique
a) La Transestérification
La transestérification est un procédé utilisé principalement dans la production de biocarburants
dits de première génération (Ballerini & Alazard-Toux, 2006). Il s’agit tout simplement d’une
presse mécanique qui permet d’extraire l’Hexane (hydrocarbure saturé de formule C6H14)
(Ballerini & Alazard-Toux, 2006). Cela permet d’éliminer les glycérides via la combinaison de
l’huile végétale avec de l’alcool (Basha, Raja Gopal, & Jebaraj, 2009). On peut comparer le
procédé à celui de l’hydrolyse sauf que dans le cas présent, de l’alcool est utilisé à la place de
l’eau (Meher, Vidya Sagar, & Naik, 2004). Il vise à réduire la viscosité de l’huile (Basha, Raja
Gopal, & Jebaraj, 2009). Cependant, son extraction est critique en raison de sa toxicité4.
Voici l’exemple du principe dans le cadre de la culture du Ponamia Pinnata :
4
http://www.cdc.gov/niosh/ipcsnfrn/nfrn0279.html, page consultée le 4 février 2010.
26
Figure 11 : Exemple du Ponamia Pinnata d’après Ahmad et al. (2009)
Le processus de transformation sera affecté par différentes variables telles que les conditions de
la réaction,
action, le rapport molaire de l’alcool à l’huile, le type d’alcool, le type de montant de
catalyseurs
eurs (pour accélérer la conversion)
conversion), le temps de réaction, la température
rature et enfin la pureté
des différents actifs (Meher, Vidya Sagar, & Naik, 2004)
2004).
Ainsi, le contenu en acide gras libre et l’humidité sont
sont des paramètres clefs pour déterminer la
viabilité
bilité du processus de transformation. Par exemple, il est indispensable que le niveau d’acide
gras libre soit inférieur à 3%. Plus l’acidité de l’huile est élevée, moins la conversion sera
efficiente (Meher, Vidya Sagar, & Naik, 2004).
Aussi, il est possible d’identifier différents types de catalyseurs : alkali, acide, enzyme ou
catalyseur hétérogène (Hanna MA, 1999).
1999). Le premier semble être le plus efficace (Hanna MA,
1999).
En bref
Voie Thermochimique
Voie Biochimique
Voie Chimi
Chimique
Gazéification
Biocarbonisation
Transestérification
Pyrolise
Biorefinery
Enzymes Hydrolysis
Méthanisation
Acid hydrolysis
BTL
Tableau 11: Récapitulatif des Techniques de transformation
Les différents produits
Biobutanol
Le biobutanol (ou alcool butylique) est obtenu grâce à la bactérie de Gram positif anaérobique
clostridium acetobutylicum. Son caractère enzymatique lui permet d’effectuer la transformation
du sucre en butanol-1.
1. En plus du biobutanol, d’autres molécules telle que le dihydrogène sont
produites (acide acétique, acide propionique, acétone, isopropanol). Il est obtenu, comme
l’éthanol, par la fermentation du sucre des différentes matières premières utilisées (Leber, 2010).
Il est important de comprendre que le
le biobutanol possède de nombreux avantages :
27
-
Une haute densité énergétique (Parr, 2007)
Facilement manipulable et mélangeable, notamment aux hydrocarbures traditionnels et à
l’éthanol (Parr, 2007) (U.S. Department of Energy, 2009)
Moins corrosif (Parr, 2007)
Utilisable à l’état liquide, solide, gazeux (Leber, 2010)
Il peut être produit à partir de nombreuses matières premières(Parr, 2007) notamment à
partir d’algues (Simpson, 2010)
Et surtout est compétitif en terme de coûts avec l’éthanol (Parr, 2007)
Mais avant toute chose, l’avantage premier de ce biocarburant est qu’il possède une structure
moléculaire se rapprochant fortement de celle des hydrocarbures traditionnels (Leber, 2010)
(Simpson, 2010). Il devient alors la source énergétique idéale à l’heure où le prix du pétrole
flambe. En effet, il peut être utilisé directement dans les moteurs actuels (à ne pas confondre avec
l’éthanol qui nécessite une modification du moteur [moteur flex] au-delà de 85% de biocarburant)
(U.S. Department of Energy, 2009). D’ailleurs, les unités de production de bioéthanol ainsi que
les raffineries pétrolières peuvent être adaptées à la production de biobutanol(Leber, 2010). De
nombreuses compagnies y voient une source de revenus non négligeable (Leber, 2010). Même si
à l’heure actuelle il n’existe aucun point de distribution, le fait que le liquide ne se mélange pas à
l’eau (contrairement à l’éthanol) permet d’envisager une distribution au travers des stations de
carburants actuelles(U.S. Department of Energy, 2009).
Les entreprises BP (technologies carburants et la connaissance des marchés de l’énergie) et
DuPont (biotechnologies et de bio-production) accordent énormément d’importance à ce
biocarburant. Elles ont d’ailleurs décidé dès 2003 de s’associer afin de porter le projet à des fins
commerciales (BP, 2006).
Le lancement était prévu pour 2007 au Royaume-Uni via un partenariat avec British Sugar,
premier fournisseur de sucre dans ce pays(BP, 2006).
En ce qui concerne le contenu énergétique, on estime que le Biobutanol est 10% à 20% inférieur
aux hydrocarbures traditionnels (U.S. Department of Energy, 2009). Voici d’autres
caractéristiques (Gevo, 2009) :
Fuel
Densité
énergétique
Ratio
air
carburant
Gazole
32.0 MJ/L
Butanol
/
Énergie Spécifique
Chaleur
vaporisation
14.6
2.9 MJ/kg d’air
0.36 MJ/kg
29.2 MJ/l
11.2
3.2 MJ/kg d’air
0.43 MJ/kg
Ethanol
19.6 MJ/L
9.0
3.0 MJ/Kg d’air
0.92 MJ/kg
Méthanol
16.0 MJ/L
6.5
3.1 MJ/kg d’air
1.20 MJ / kg
28
de
Tableau 12: Comparaison énergétique du Gazole, du Butanol, de l'Éthanol et du Méthanol(Gevo, 2009)
Ceux issus des algues
Même si les études en sont encore au stade de laboratoire, on estime que le rendement des algues
pourrait être jusqu’à 30 fois supérieur à celui des oléagineux terrestres (Cadoret & Bernard, 2008)
(Cornell, 2008). Cependant, il est important de se rappeler que la production de biocarburants à
partir des algues ne devient rentable quand dans certaines conditions qui doivent être respectées
tout au long du cycle de vie du produit (choix des techniques de productions, des algues, des
lieux de cultures, etc.) (Cadoret & Bernard, 2008).
Cependant, certains problèmes émergent. En effet, selon Gerhard Knothe (chercheur à l’USDA,
U.S. Departement of Agriculture’s Agricultural Reseach Service), ils se dégradent plus
rapidement que les autres carburants en basse température du fait de la forte présence de gras
saturé et d’acides gras polyinsaturés (Sawahel, 2010). Ainsi, il semblerait que la seule issue à ce
problème majeur soit la modification génétique (Sawahel, 2010).
A l’heure actuelle, l’industrie aérienne voit en ce type de biocarburant la possibilité de diminuer
l’impact environnemental de leurs activités (Green Car Congress, 2008)
Biodiesel
Le Biodiesel est un ester méthylique obtenu par réaction chimique (transestérification) entre un
alcool léger et de la matière grasse (Centre de référence en agriculture et agroalimentaire du
Québec, 2008). Notons qu’il peut être utilisé soit comme carburant de remplacement à 100%
(B100) et sans modification majeure de la voiture; soit mélangé aux hydrocarbures traditionnels
(avec des concentrations différentes soient 2%, 5% ou encore 20%) (Conseil Québécois du
Biodiesel, Indisponible).
L’utilisation de matières premières dites végétales entraine souvent la confusion entre le biodiesel
et l’huile végétale carburant. Pourtant, de nombreux points les différencient :
Biodiesel
Huile végétale carburant
Matières
premières
Huiles végétales pures (huile de soya, de canola, de
palme…)
Huiles
végétales
- Huiles de friture recyclées
Procédé
Transestérification
Décantation et filtration
Modification
Moteurs
Aucune
Modifications mineures au véhicule :
ajout d’un réservoir pour réchauffer le
carburant
Équipementiers et fabricants de moteurs respectent
leurs garanties jusqu’à B20 (20% de biodiesel dans le
mélange) mais la plupart recommandent de ne pas
dépasser B5 (5%)
Garanties invalidées
- ASTM D6751 pour le B100
Il n’existe aucune norme de qualité
applicable
Respect
garanties
des
Norme de qualité
applicables
- CAN/ONGC 3.520 pour le B2 à B5
29
pures
Programme
d’assurance qualité
existant
- Accréditation BQ-9000 pour les producteurs
Utilisation
temps froid
- Efficace jusqu’à B5 avec un biodiesel qui rencontre les
normes de qualité
par
Il n’existe aucun programme d’assurance
qualité applicable
- Certification BQ -9000 pour les distributeurs
- L’utilisation du biodiesel représente un plus grand défi par
temps froid pour le B20 et le B100, mais on peut gérer la
contrainte en utilisant un additif, un système de gestion
thermique du carburant ou en laissant les véhicule dormir à
l’intérieur en hiver.
À tous les niveaux de concentration,
l’utilisation de carburant par temps froid
n’est pas recommandée car elle peut
occasionner des pannes
Problèmes les plus
courants
- Si le biodiesel ne respecte pas les normes de qualité, il peut
occasionner
des
problèmes
d’utilisation
- le biodiesel est un solvant qui, par nature, agit sur certaines
matières. Surtout pour les véhicules plus anciens (avant
1994), il se peut que le biodiesel ne soit pas compatible avec
les
matériaux
utilisés
- l’effet solvant du biodiesel à forte concentration (B20 à
B100) peut également entrainer, en nettoyant les systèmes
encrassés, le colmatage des filtres à carburant
Oxydation élevée et risques de
contamination résiduelle entrainant le
colmatage des filtres, des dommages au
niveau des injecteurs et au niveau de la
pompe
Règlement fédéral
sur le souffre dans le
carburant diesel
- Exemption taxe d’accise fédérale sur les carburants (4
centimes
/
litre
pour
le
pétrodiesel
- Remboursement de la taxe sur les carburants (16,2 centimes
/ litre au Québec)
- la taxe d’accise fédérale sur les
carburants
est
applicable
- La taxe québécoise sur les carburants
est
applicable,
il
n’existe
pas
d’exemption ou de remboursement pour
ce
type
de
carburant
- Même s’il y a autoproduction pour un
usage personnel, les taxes s’appliquent. Il
faut les verser par autoperception
Règlement fédéral
sur le souffre dans le
carburant diesel
L’importation, la production et la vente sont assujetties au
règlement
- l’importation, la production et la vente
sont
assujetties
au
règlement
- L’autoproduction pour usage personnel
n’est pas assujettie au réglement
Tableau 13: Les différences entre le biodiesel et l'huile végétale carburant (Conseil Québécois du Biodiesel, Indisponible)
Comme nous venons de l’apercevoir, il existe de nombreuses normes de qualité permettant ainsi
d’assurer la viabilité du produit et surtout de gagner la confiance des consommateurs(Conseil
Québécois du Biodiesel, Indisponible). Il n’existe actuellement aucune réglementation pour le
B100 au Canada. Pour combler ce manque, les producteurs se sont pliés aux exigences
américaines (ASTM D6751) et européennes (EN 14214) qui sont reconnues à
l ‘international(Conseil Québécois du Biodiesel, Indisponible). La situation est différente pour les
mélanges où des normes canadiennes s’appliquent (CAN/ONGC 3.520 pour les mélanges B1 à
B5). Cependant, si les normes sont présentes, faut-il encore les respecter. Le programme BQ30
9000 s’inscrit dans cette perspective et vise à renforcer la qualité du produit via un contrôle aux
différentes étapes de la production.
Depuis 2002, la Société de Transport de Montréal (STM) s’est lancée dans l’aventure biodiesel
en choisissant le biodiesel comme source d’énergie pour une partie de la flotte (STM, 2002).
Le Biodiesel est actuellement produit dans différents pays (Allemagne, Malaisie, etc.) à partir de
différents types de matières premières (Huile de palme, Jatropha, ect) et est considéré comme un
produit de première génération.
Mais quelle est vraiment la valeur énergétique de ce biocarburant? Voici un comparatif :
Propriétés
Biodiesel (B100)
Pétrodiesel
Énergie disponible (GJ/t)
39.8
45.2
o
131
60 à 72
Point trouble ( c)
o
-0.5
-20.0
Masse Volumique (t/m3)
0.885
0.850
Indice cétane
50.9
46.0
Point d’éclair ( c)
Tableau 14 : Caractéristiques typiques d'un carburant biodiesel pur (B100) fabriqué à base d'huile de soya et de méthanol
et d’un carburant diesel conventionnel (Centre de référence en agriculture et agroalimentaire du Québec, 2008)
La production de Biodiesel a le soutien du gouvernement des États-Unis : elle représente un des
seuls produits rentables sur le marché actuel. La production en 2007 était de six milliards de
litres.
Archer Daniels Midland Co. (États-Unis) est un des industriels qui a fait le choix de produire et
de commercialiser (principalement en Europe et aux États-Unis mais est présent dans 60 pays) le
biodiesel sous le nom de Connediesel, Connester et de glycérine brute et raffinée. Une des
particularités de l’entreprise est qu’elle œuvre dans plusieurs secteurs qui, nous pouvons le dire,
sont complémentaires. En effet, elle s’occupe non seulement de la production, de l’élaboration et
de la commercialisation du biodiesel, mais également produit, exploite et commercialise des
produits agricoles (nourriture, produits industriels, etc.). Ainsi, l’entreprise s’auto-approvisionne
en matières premières pour ses biocarburants. Elle peut ainsi contrôler la qualité et miser
également sur des économies d’échelles.
Comme autres producteurs, nous pouvons citer :
Compagnies
Produits
Chicago-based Ultra Green Energy Service (USA)
Ultra Green Diesel
Renewable Energy Group Inc. (USA)
SoyPower & REG-9000
31
FUMPA Biofuels (USA)
Northland Choice
North Mississippi Biodiesel
Southern Gold
[Note Elodie : Table de vitor… mais je n’ai pas l’original…]
Éthanol ou bioéthanol
L’éthanol est un biocarburant non toxique (à la manipulation notamment) et biodégradable (EIA,
2009). Il est obtenu à partir du sucre qui peut être issu de la matière végétale (EIA, 2010). Aux
Etats-Unis, la majorité de l’éthanol provient du maïs (EIA, 2010) et sert à fabriquer du E10 (10%
d’éthanol et 90% de gazole) dans 99% des cas (EIA, 2010). Au Canada, il est principalement
issu de la culture du maïs et du blé (Office de l'efficacité énergétique, 2009).
Concrètement, deux types d’éthanol peuvent être produits : celui dit industriel et celui dit
carburant (Office de l'efficacité énergétique, 2009). Ce dernier fut distillé puis déshydraté (afin de
pouvoir le mélanger à l’essence) pour obtenir un alcool anhydre à indice d’octane élevé (Office
de l'efficacité énergétique, 2009). Dès l’intégration, même minime (inférieure à 10%), de
l’éthanol à l’essence (possible pour tous les véhicules construits après 1980 (Office de l'efficacité
énergétique, 2009)), on observe une réduction du monoxyde de carbone émis par les véhicules
(EIA, 2009). Cette diminution serait équivalente à la suppression de 1 000 voitures (Ethanol
GreenField, Indisponible). Par ailleurs, une quantité minimale de 15% d’essence est nécessaire
afin de permettre la combustion du carburant(Office de l'efficacité énergétique, 2009).
Notons également qu’en cas de déversement, l’éthanol se décompose rapidement en substances
inoffensives (EIA, 2009).
On estime qu’en 2030, la production d’éthanol pourrait atteindre 60 milliards de gallons soit plus
de 227 milliards de litres (Parr, 2007). Voici les principaux producteurs canadiens :
Producteur
Lieu
Capacité
Informations
complémentaires
Mohawk Oil, Canada, Ltd Minnedosa, Man.
10 millions de litres
A base de blé
Pound-Maker
Agventures, LTD
Lanigan, Sask.
A base de blé avec de
la graisse bovine
Commercial
Inc.
Alcohols, Tiverton, Ont.
A base de maïs
Commercial
Inc.
Alcohols, Chatham, Ont.
A base de maïs
API Grain Processors
Red Deer, Alta.
A base de blé
Tembec
Temiscaming, Qué.
A base de déchets
forestier
Tableau 15: Principaux Producteurs d'Éthanol au Canada (Canadian Renewable Fuels Association, 2000)
32
EMHA (Ester Méthylique d'Huile Animale)
Le EMHA est obtenu en remplaçant l’huile végétale par de l’huile issue des graisses animales.
On appelle cette filière équarrissage. Elle vise à récupérer les animaux morts soit dans les
élevages, soit dans les centres vétérinaires, soit sur la route ou autre. Sa vocation est avant tout
d’ordre sanitaire.
Cette industrie est principalement présente dans certains pays européens et en Amérique.
Méthanol
Le méthanol est un alcool obtenu par la synthèse chimique de produits carbonés (après
gazéification). La matière première principale est le bois.
Il peut être utilisé comme carburant de synthèse.
L’Huile Végétale Brute (HVB)
L’Huile Végétale Brute est également appelée Huile Végétale Carburant (HVC) et Huile végétale
pure (HVP). On peut l’utiliser sans modification du moteur diesel dans des proportions allant de
30% à 50% avec du gazole. Cependant, de minimes transformations (réchauffement du
carburant) sont nécessaires lorsque l’huile devient la seule source d’énergie (Wikipedia, 2010).
Nous notons également qu’elle représente la matière première brute à l’élaboration du biodiesel
présenté précédemment(Wikipedia, 2010).
Contexte Sociopolitique
Les biocarburants s’inscrivent dans un contexte sociopolitique pour le moins complexe. Pour le
comprendre, il faut d’abord assimiler le fait que l’industrie se positionne en réponse aux
problèmes de réchauffement climatique et à la pénurie annoncée du pétrole, matière première
principale aux hydrocarbures traditionnels.
Le contexte énergétique actuel correspond à une situation monopolistique où l’OPEP
(Organisation des pays exportateurs de pétrole) et de grandes multinationales (BP, Shell, Total
pour ne citer qu’eux) influent sur le prix du baril. Celui-ci augmentant de manière exponentielle,
certains pays ont vu dans les biocarburants une occasion d’indépendance énergétique. Le Brésil
est le cas parfait. En développant une nouvelle industrie par l’utilisation de la canne à sucre, il a
pu se créer une ressource interne non négligeable. Cette démarche représente la majorité des
biocarburants appelés « de première génération ». Cependant, la rentabilité énergétique n’est pas
présente et le consommateur n’embarque pas. Le biocarburant est alors vu comme une alternative
ponctuelle plutôt que récurrente.
Les multinationales ont vite compris que les biocarburants représentaient un enjeu économique
important. Ils sont une nouvelle manière d’utiliser l’agriculture : pour les pays développés,
d’épuiser des réserves importantes et pour les PVD, une façon de lutter contre l’exode rural (Inde,
Brésil). La commission européenne estimait même en 2003 que le remplacement de 1% de
carburants pétroliers traditionnels par les biocarburants en Europe permettrait la création de
33
45 000 à 75 000 emplois sur l’ensemble de la zone, dont plus de la moitié dans le monde
agricole(Ballerini & Alazard-Toux, 2006).
Soucieuses de garder leur hégémonie dans l’industrie de l’énergie, les multinationales sont
impliquées fortement dans les recherches soient via des subventions aux universités (Shell à
Londres) soit par des recherches internes. L’objectif est de trouver le biocarburant miracle qui ne
nécessitera pas de changements comportementaux à la consommation et aura une rentabilité
énergétique proche de celle des hydrocarbures traditionnels. Pourtant, tous les chercheurs sont
d’accord pour dire que cette stratégie est de loin la moins rentable (IEA, 2008). Il serait
préférable de créer à partir de ce que l’on a (matière première) et ensuite de faire évoluer les
comportements.
Nous notons également que les firmes automobiles ne semblent pas s’aligner sur cette nouvelle
source d’énergie, mais favorisent le recours aux véhicules hybrides.
34
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Les biocarburants : matières premières

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