Les procédés de production de carburants

Les procédés de production de carburants à partir de biomasse sont des propositions de solutions pour répondre à l’épuisement programmé du pétrole et à la nécessité de réduire fortement les émissions anthropiques de CO2. Les volumes de production envisageables impliquent une augmentation massive de la mobilisation de biomasse et posent la question de son potentiel, avec des différences importantes selon que l’on considère :
– les procédés de première génération qui utilisent une biomasse d’origine agricole et de type alimentaire,
– les procédés de deuxième génération qui utilisent une biomasse lignocellulosique (plante entière), comprenant des sous-produits agricoles non comestibles et les produits forestiers,
– les procédés de troisième génération qui utilisent une biomasse d’origine aquacole.

Ces différents potentiels ne peuvent être évalués qu’en ordre de grandeur compte tenu des incertitudes fortes qui pèsent sur les conditions physiques et technico-économiques de leur production et de leur mobilisation. Cependant, les estimations permettent de conclure que le potentiel énergétique primaire de la biomasse est :
– significatif par rapport à la consommation énergétique mondiale,
– mais insuffisant par rapport à la demande potentielle de biomasse comme énergie primaire.

Pour le montrer, on présente rapidement des éléments d’évaluation du potentiel de biomasse lignocellulosique qui est aujourd’hui de loin la première ressource en biomasse pour l’énergie, dans les faits comme en potentiel – raison qui motive la recherche et le développement de procédés de biocarburants de deuxième génération : la production d’éthanol par voie biochimique et de naphta, kérosène et gazole par voie thermochimique visent à gagner un ordre de grandeur en volume de production par rapport aux procédés de première génération. Le potentiel de la biomasse de première génération est en effet faible devant celui de la deuxième génération et ce d’autant plus que la pression sur les sols cultivables s’accroît avec les besoins alimentaires [1]. Le potentiel de la biomasse de troisième génération est quant à lui plus prometteur, mais encore assez incertain, puisqu’il dépend à la fois de la recherche sur les algues et micro-organismes susceptibles d’être mobilisés et de la faisabilité technico-économique de leur mise en culture et de leur valorisation énergétique. La quantité de biomasse énergie qu’on peut en attendre est significative par rapport à la première génération en raison de rendements jusqu’à 100 fois plus élevés en termes de production rapportée à l’unité de sol mobilisé, mais, compte tenu des contraintes techniques et économiques, il est vraisemblable que seuls les pays riches pourront viser des objectifs aussi ambitieux que ceux des Etats-Unis, à savoir, dans le meilleur des cas, substituer le pétrole qu’ils consomment pour les transports [2]. A l’échelle mondiale, l’ordre de grandeur du potentiel de la biomasse de troisième génération serait de quelques milliards de tonnes équivalent pétrole, inférieur à l’ampleur de la plage dans laquelle se situe le potentiel de la deuxième génération, évalué ci-après.

On présente d’abord des éléments sommaires d’évaluation du potentiel mondial de biomasse lignocellulosique, puis des éléments plus précis pour le potentiel français, afin de les confronter à la demande potentielle. Le stock mondial actuel de biomasse lignocellulosique est de l’ordre de 1800 Gt de matière sèche (GtMS) et la production primaire nette de biomasse lignocellulosique de l’ordre de 170 GtMS/an, soit ~ 70 Gtep/an [3]. Les processus biologiques naturels combinés aux destructions par le feu en dégradent cependant plus de 95 % et la part qui peut leur être soustraite pour les besoins humains, de manière soutenable, est assez mal connue [4]. La faisabilité technico-économique des prélèvements soutenables réduit encore les volumes mobilisables et les ordres de grandeur avancés vont de 4 à plus de 10 Gtep/an [4], pour 1 à 2 Gtep/an mobilisées aujourd’hui. Ces valeurs sont à comparer à la consommation mondiale annuelle d’énergie primaire : ~ 10 Gtep en 2000, peut-être plus du double d’ici à la moitié du 21° siècle, selon les scénarios.

S’agissant du potentiel français de la ressource en biomasse lignocellulosique, il résulte de 3 sources :
– la forêt : ~ 15 Mha aujourd’hui,
– les résidus agricoles,
– les cultures dédiées.

La forêt représente un accroissement biologique de ~ 100 Mm3 /an de bois fort et de ~ 25 Mm3 /an de menu bois. La récolte actuelle est de ~ 60 Mm3 /an de bois fort, soit ~ 33 MtMS/an, utilisée de la façon suivante [5-7] :
– industrie du sciage : ~ 11 MtMS/an, d’où sont récupérés ~ 6MtMS/an de produits connexes,
– industrie papetière : ~ 4 MtMS/an + ~ 2 MtMS/an de produits connexes de scierie,
– industrie des panneaux : ~ 2 MtMS/an + ~ 2 MtMS/an de produits connexes de scierie,
– énergie : ~ 15 MtMS/an, dont ~ 3 MtMS/an passent par des circuits commerciaux.

Une exploitation forestière plus dynamique permettrait de dégager ~ +13 MtMS/an:
– extension surfacique de l’exploitation forestière: ~ +10 Mm3/an, soit ~ +5 MtMS/an,
– récolte du menu bois : ~ +15 Mm3/an, soit ~ +8 MtMS/an.

Les résidus agricoles qui ne sont pas retournés au sol, surtout la paille des céréales, représentent ~ 13 MtMS/an, qui sont presque intégralement utilisés par l’élevage et, marginalement, par des bioindustries [5, 6]. Le potentiel résiduel est négligé devant les incertitudes qui pèsent sur les autres gisements. Par contre, des cultures dédiées à la production de biomasse représentent un potentiel tout à fait significatif :
– cultures annuelles : sorgho, triticale, luzerne, fétuque,
– cultures pérennes herbacées : miscanthus, panic érigé,
– cultures pérennes ligneuses : taillis à (très) courte rotation de peuplier, saule, eucalyptus …

Les cultures annuelles sont bien adaptées à la production d’éthanol de deuxième génération (humidité, cendres), tandis que les cultures pérennes sont bien adaptées à la production de biocarburants par voie thermochimique. Les rendements de production variant de 10 à 15 tMS/ha.an, le potentiel dépend des surfaces mobilisées : les terres agricoles marginales étant évaluées à ~ 0,5 Mha [9] et la surface agricole utile étant de 30 Mha, de 0,5 à 2 Mha mobilisés paraît une fourchette réaliste, conduisant à +5 à +30 MtMS/an. Au total, le potentiel de la ressource française en biomasse lignocellulosique, hors résidus agricoles, se situe entre 50 et 75 MtMS/an, dont 15 à 20 MtMS/an ne seraient pas utilisés pour les usages énergétiques, leur laissant donc de 30 à 60 MtMS/an, soit de 13 à 25 Mtep/an. Actuellement, ~ 7 à 9 Mtep/an sont mobilisées (le bois énergie échappant largement aux circuits commerciaux, les quantités consommées sont mal connues). Ces valeurs sont à situer par rapport au potentiel de la biomasse en Europe, évalué à ~ 200 Mtep/an [10], et, surtout, elles sont à comparer à la consommation française d’énergie primaire : ~ 270 Mtep actuellement.

Le problème de l’évaluation des impacts environnementaux des bio/agro carburants 

Les impacts environnementaux des bio/agro-carburants sont locaux (pollution du sol et de l’eau notamment) et globaux (atteintes à la biodiversité, émissions de gaz à effet de serre). S’agissant des impacts globaux, les dommages sont difficiles à déterminer et l’évaluation se limite généralement à l’estimation des flux nocifs, mais elle rencontre encore plusieurs difficultés, qu’on examine ici en se concentrant sur les gaz à effet de serre. De nombreuses évaluations ont été menées sur les émissions de gaz à effet de serre liées aux bio/agro-carburants en analysant leur cycle de vie afin de connaître les bénéfices qu’ils procurent par rapport aux carburants fossiles. Ces évaluations sont caractérisées par l’importante dispersion de leurs résultats, qui s’explique par :
– une grande variabilité des hypothèses techniques, notamment sur les itinéraires agronomiques ,
– des difficultés méthodologiques liées à la définition de la frontière du système analysé .

Une forte sensibilité aux hypothèses techniques 

La comparaison des analyses de cycle de vie des bio/agro-carburants montre une forte sensibilité des résultats aux hypothèses techniques, notamment pour les émissions de gaz à effet de serre [11].
– Le véhicule de référence utilisé pour évaluer les émissions par kilomètre est évidemment déterminant, de même que ses conditions d’utilisation. On ne peut cependant pas s’affranchir de ces hypothèses si l’on veut comparer des carburants pour moteur à essence et des carburants pour moteur diesel car ces moteurs ont des performances sensiblement différentes à puissance égale. Ceci se résout cependant en harmonisant les choix des véhicules et des cycles d’utilisation de référence.
– Les caractéristiques des sols et des itinéraires agricoles utilisés pour la production de la biomasse constituent une source d’incertitude plus difficile à lever car elles correspondent à une diversité réelle des sols, des cultures et des rendements. En particulier, les émissions de N2O varient significativement selon le climat, le sol, le type de culture, le mode de labour et de fertilisation minérale et organique. Or N2O est un puissant gaz à effet de serre : 1 kg de N2O équivaut sur 100 ans à ~ 300 kg de CO2. Il en résulte de fortes disparités dans les résultats des analyses de cycle d’un même bio/agro-carburant, au point qu’il est parfois impossible de savoir si le bilan du carburant est positif ou négatif. L’étude européenne de référence en la matière (étude JRC-EUCAR-CONCAWE) s’est attachée à resserrer les incertitudes sur le N2O, mais les résultats restent dispersés [12] . Cependant, pour les biocarburants de deuxième génération qui sont seuls évalués ici, ces hypothèses techniques jouent moins car la biomasse de départ nécessite en général peu d’intrants, voire pas du tout dans le cas de la biomasse forestière.

Une très forte sensibilité aux frontières du système 

L’analyse du cycle de vie d’un produit en général et d’un carburant en particulier suppose de définir les frontières du système analysé, afin d’identifier clairement les flux physiques entrants et sortants du système. Dans le cas des bio/agro carburants, la définition de la frontière du système rencontre deux difficultés.
– La première difficulté liée aux frontières du système concerne les procédés à produits multiples : il est en général impossible de séparer les flux physiques entrants et sortants en fonction des produits. Deux méthodes sont utilisées pour lever cette difficulté, mais elles ne sont pas sans inconvénients [16].
– Le partage des flux entre les différents produits, au prorata de leur masse ou du contenu énergétique, a le mérite de la simplicité, mais n’a pas de justification théorique.
– La déduction des flux évités par les coproduits est très cohérente, mais peut s’avérer inapplicable : il s’agit de faire l’analyse des flux associés à la production des substituts de référence des coproduits et de considérer que ces flux sont évités par la production du produit principal et de ses coproduits, ce qui suppose que les substituts de référence sont bien équivalents et effectivement substitués. Le cas du biodiesel de colza et de son coproduit, des tourteaux valorisables en alimentation animale, montre bien les difficultés posées par l’allocation des flux aux produits.
– D’un côté, l’allocation des flux au biodiesel et aux tourteaux de colza au prorata de leur masse conduit à des résultats très différents de ceux de la méthode de déduction des impacts évités : une analyse menée en partageant les flux au prorata de la masse des produits (étude ADEME/DIREM) estime l’énergie fossile consommée à 0,33 MJ/MJ de biodiesel et les émissions à 24 gCO2/MJ [14], tandis qu’une analyse déduisant les flux évités par les coproduits (étude JRC-EUCAR CONCAWE) estime l’énergie fossile consommée à 0,48 MJ/MJ de biodiesel et les émissions à 43 gCO2/MJ [12].
– D’un autre côté, l’utilisation du tourteau de soja comme substitut de référence du tourteau de colza pose problème car, d’une part, les valeurs nutritives des deux tourteaux ne sont pas équivalentes et, d’autre part, la production massive de biodiesel de colza sature les besoins en tourteaux, ce qui a pour conséquence que l’excédent de tourteaux n’est plus un coproduit mais un déchet. L’analyse est encore compliquée par le fait que le tourteau de soja est également un coproduit, de produits alimentaires à base de soja, mais aussi du biodiesel de soja. Cependant, pour les biocarburants de deuxième génération, la méthode de déduction des flux évités est applicable sans trop de difficultés car les coproduits sont uniquement des produits énergétiques, pour lesquels les substituts de référence sont relativement faciles à manipuler.
– La deuxième difficulté liée aux frontières du système concerne le changement d’affectation des sols : la conversion d’une surface forestière en surface agricole entraîne la libération rapide du carbone du sol sous forme d’émissions de CO2, particulièrement importantes dans le cas de la forêt tropicale. En conséquence, l’analyse de cycle de vie d’un bio/agro-carburant doit tenir compte de l’histoire du sol, qui est très pénalisante s’il s’agit de sol forestier tropical converti à l’agriculture [17] (cf. Figure 3). De plus, un problème de frontière spatiale du système analysé se pose car l’usage des sols est un tout dont on ne peut pas isoler a priori une surface de production en particulier, ni une culture particulière. Par exemple, on observe que le développement de la canne à sucre pour la production d’éthanol s’effectue au Brésil sur de bonnes terres agricoles, donc sur un sol dont l’usage était déjà agricole, mais on observe aussi que la canne à sucre repousse ainsi les cultures alimentaires sur d’autres terres et, in fine, sur de nouvelles terres agricoles prises à la forêt. L’affectation globale est donc changée. Pour les biocarburants de deuxième génération, la biomasse peut être d’origine forestière ou agricole et on fera l’hypothèse qu’elle ne supporte pas de flux de CO2 dû à un changement global d’usage du sol.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 : DEMARCHE D’EVALUATION POUR LES PROCEDES DE BIOCARBURANTS DE DEUXIEME GENERATION ET LEUR INSERTION DANS LE SYSTEME ENERGETIQUE
–1 LE PROBLEME DE L’EVALUATION DES IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX DES BIO/AGRO-CARBURANTS
–1.1 UNE FORTE SENSIBILITE AUX HYPOTHESES TECHNIQUES
–1.2 UNE TRES FORTE SENSIBILITE AUX FRONTIERES DU SYSTEME
–1.3 PRISE EN COMPTE DES LIMITES DU POTENTIEL DE BIOMASSE MOBILISABLE : NECESSITE D’UNE APPROCHE SYSTEMIQUE
–2 DEMARCHE D’EVALUATION A L’ECHELLE DES PROCEDES
–2.1 DELIMITATION DE LA FAMILLE DE PROCEDES EXPLOREE (SUPERSTRUCTURE) : LA THERMOCONVERSION DE LA BIOMASSE LIGNOCELLULOSIQUE EN CARBURANTS LIQUIDES
–2.2 CHOIX DE LA METHODE D’EVALUATION A L’ECHELLE DES PROCEDES
–2.2.1 La monétarisation des externalités
–2.2.2 L’optimisation technico-économique à objectifs multiples dans une famille de technologies
–2.2.3 Evaluation à l’échelle des procédés : critères utilisés et méthode de détermination des meilleures technologies
–3 DEMARCHE D’EVALUATION SYSTEMIQUE A L’ECHELLE DE LA FRANCE
–3.1 CRITERES UTILISES
–3.2 METHODE D’EVALUATION DES USAGES DE LA BIOMASSE LIGNOCELLULOSIQUE
CHAPITRE 2 : EVALUATION A L’ECHELLE DES PROCEDES
–1 DESCRIPTION DES PROCEDES EXPLORES
–1.1 OPTIONS TECHNIQUES POUR CHAQUE PROCEDE ELEMENTAIRE GENERIQUE
–1.1.1 La synthèse
–1.1.2 L’ajustement en H2
–1.1.3 Le nettoyage du gaz
–1.1.4 Le refroidissement du gaz
–1.1.5 La gazéification
–1.1.6 La préparation
–1.1.7 Le séchage
–1.2 OPTIONS TECHNIQUES CONSIDEREES POUR L’ENCHAINEMENT DE PROCEDES ELEMENTAIRES
–2 EVALUATION TECHNIQUE ET ENVIRONNEMENTALE – RECHERCHE D’OPTIMA
–2.1 CALCUL DES PERFORMANCES PHYSIQUES ET DETERMINATION DE PROCEDES THERMOCHIMIQUES DE REFERENCE
–2.1.1 Modélisation physique des éléments de la superstructure
–2.1.2 Intégration : modélisation physique d’enchaînements d’éléments de procédé – recherche d’optima
–2.2 ANALYSE SOMMAIRE DU CYCLE DE VIE D’UN BIOCARBURANT FISCHER-TROPSCH
–2.2.1 Flux à impact environnemental associés au cycle de vie d’un biocarburant Fischer-Tropsch
–2.2.2 Limitation des émissions de composés organiques volatils lors du séchage de la biomasse
–2.3 COMPARAISON AVEC D’AUTRES BIO/AGRO-CARBURANTS
–3 EVALUATION MICROECONOMIQUE – RECHERCHE D’OPTIMA
–3.1 CALCUL DU COUT DE PRODUCTION POUR LES PROCEDES THERMOCHIMIQUES DE REFERENCE
–3.1.1 Evaluation du coût de production actualisé par unité de produit
–3.1.2 Sensibilité du coût de production au prix des intrants – recherche d’optima
–3.2 CALCUL DE L’IMPACT ECONOMIQUE DU CO2 POUR LES PROCEDES THERMOCHIMIQUES DE REFERENCE
–3.2.1 Impact économique du CO2 émis sur le cycle de vie du biocarburant
–3.2.2 Impact économique de la capture et du stockage géologique du CO2
–3.3 COMPARAISON AVEC D’AUTRES BIO/AGRO-CARBURANTS
CHAPITRE 3 : EVALUATION SYSTEMIQUE A L’ECHELLE DE LA FRANCE
–1 SCENARIOS PROSPECTIFS POUR LE SYSTEME ENERGETIQUE FRANÇAIS : DES ETATS CONTRASTES
–1.1 CONSTRUCTION DE SCENARIOS PROSPECTIFS POUR LE SYSTEME ENERGETIQUE MONDIAL : LE MODELE POLES
–1.2 REPRESENTATION D’UN ETAT POSSIBLE DU SYSTEME ENERGETIQUE FRANÇAIS A UN HORIZON DE TEMPS FIXE
–1.3 SELECTION DE SCENARIOS MONDIAUX CONTRASTES ET CARACTERISATION D’ETATS DE BASE CORRESPONDANTS POUR LE SYSTEME ENERGETIQUE FRANÇAIS
–2 IMPACT DE L’USAGE DE LA BIOMASSE LIGNOCELLULOSIQUE DANS LES DIFFERENTS SCENARIOS : CONSTRUCTION ET ANALYSE DE VARIANTES POUR LE SYSTEME ENERGETIQUE FRANÇAIS
–2.1 METHODE DE CONSTRUCTION D’UNE VARIANTE A PARTIR D’UN ETAT DE BASE DU SYSTEME
–2.1.1 Construction d’une variante simple
–2.1.2 Construction d’une variante élaborée
–2.2 ANALYSE DES VARIANTES D’USAGE DE LA BIOMASSE LIGNOCELLULOSIQUE SELON L’ETAT DE BASE DU SYSTEME
–2.2.1 Scénario 1 (scénario de référence), en 2030 : 30 Mtep de biomasse
–2.2.2 Scénario 1 (scénario de référence), en 2050 : 59 Mtep de biomasse
–2.2.3 Scénario 2 (très contraint en CO2, avec stockage du CO2), en 2050 : 75 Mtep de biomasse
–2.2.4 Scénario 3 (très contraint en CO2, sans stockage du CO2), en 2050 : 75 Mtep de biomasse
–2.2.5 Scénario 4 (idem scénario 3, avec véhicule électrique favorisé), en 2050 : 66 Mtep de biomasse
CONCLUSIONS

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