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Les énergies du 21ème siècle

Produire les biocarburants


Source principale d’énergie renouvelable en France et dans le monde, la biomasse est mobilisée principalement pour la génération de chaleur mais aussi pour la production d’électricité, de biocarburants et de biomolécules pour la chimie.

Publié le 1 août 2012

La biomasse représente l'ensemble de la matière organique, qu'elle soit d'origine végétale ou animale. Elle peut être issue des forêts, cultures agricoles, milieux marins et aquatiques, coproduits de l'industrie agroalimentaire, déchets organiques ou effluents d'élevage. Elle contient notamment du carbone. Pour 3 milliards d’individus, soit la moitié de la population mondiale, la biomasse (bois, cultures végétales, charbon de bois, déjections animales) est la source principale d’énergie.


Biomasse et biocarburants

Biomasse

La biomasse est mobilisée principalement pour la génération de chaleur mais aussi pour la production d'électricité, de biocarburants et de biomolécules pour la chimie.

En Europe, les biocarburants doivent représenter 7 % de la consommation énergétique finale dans les transports d'ici 2020. Cet objectif concerne les carburants de première génération, produits principalement à partir de céréales, de betterave, de canne à sucre et d'huiles végétales. Ces carburants de synthèse sont utilisables dans les moteurs traditionnels, essentiellement pour le transport routier. Ils n’utilisent qu’une partie de la plante et le rendement dépend de la variété agricole utilisée. Un hectare de blé produit 2 500 litres d’éthanol pour 6 500 litres pour un hectare de betterave ; 1 300 litres d’ester sont obtenus par hectare de colza. D'un point de vue environnemental, un litre d’éthanol produirait 75 % de gaz à effet de serre de moins qu’un litre de produit pétrolier, sur l'ensemble de son cycle de vie (depuis l'extraction ou la production de la culture jusqu'à la consommation du carburant dans le véhicule).


L’avenir des biocarburants de première génération est remis en cause car l’utilisation des terres pour la production d’énergie entre en compétition avec les cultures agroalimentaires. Face à cet enjeu, les Etats entendent privilégier la production et la consommation de biocarburants dits de seconde génération, produits à partir de coproduits ou résidus de biomasse, et de troisième génération, produits à partir de micro-algues. L’utilisation des résidus agricoles et forestiers, et plus largement de déchets, est encouragée, ce qui nécessite le développement de nouvelles technologies.

Biocarburants

Echantillons de biomasse lignocellulosique
Echantillons de biomasse lignocellulosique. © P. Avavian/CEA


Plateforme biomasse - Torréfacteur et réacteur à flux entraîné
Torréfacteur et réacteur à flux entraîné Giroflé © D. Guillaudin/CEA



Héliobiotech
VidéoLaboratoire de bioénergétique et biotechnologie des bactéries et des microalgues (LB3M)
La plateforme HélioBiotec a été créée en 2008 dans le but de constituer à l’horizon 2011 un pôle de compétence à fort potentiel d’innovation sur la biotechnologie des micro-organismes photosynthétiques (micro- algues, bactéries) au service de la production de biocarburants (biohydrogène, biodiesel).

Microalgues utilisées pour la production de biocarburants (biolipides) Microalgues utilisées pour la production de biocarburants (biolipides). © CEA
AnimationLes biocarburants de 2ème générationAfficher en plein écran


Deux pistes sont explorées pour le développement de biocarburants avancés : la voie biologique pour la production d bioéthanol, et la voie thermochimique pour la production de biodiesel, mais aussi pour la production d'autres carburants liquides, gazeux ou molécules d'intérêt pour la chimie. Les biocarburants avancés doivent être développés dans une logique de développement durable, avec un bilan neutre en matière d'émissions de gaz à effet de serre et sans mettre en péril des filières alimentaires locales. Dans cette perspective, le CEA conduit un programme de R&D sur les procédés thermochimiques de production de biocarburants de 2e et 3e générations. Les chercheurs travaillent sur la conception, le développement et la mise au point de différentes technologies pour produire des biocarburants. L'objectif est de fournir, à partir de biomasse dite « lignocellulosique » (bois, résidus agricoles) ou d'autres matières carbonées (boues de stations d'épuration, ordues ménagères, pneus, déchets industriels,...) un gaz de synthèse de haute pureté , soit composé de monoxyde de carbone et d’hydrogène pour produire un biocarburant liquide de haute qualité pour les transports (via une synthèse Fischer-Tropsch), soit contenant du méthane en vue de produire du gaz naturel de synthèse ou du méthanol.

Les gazéifieurs classiques, de type lit fixe, conviennent aux petites puissances (10 MW maximum) et produisent un gaz plutôt pauvre mais ne nécessitent pas d’apports énergétiques extérieurs. Les nouvelles technologies telles que les réacteurs à lit fluidisé à haute température, ou les réacteurs à flux entraîné, permettent, par une pyrolyse rapide, de produire un gaz plus riche et sont plus adaptées à des puissances élevées (10 à 200 MW). Les procédés avec apport d'énergie extérieure (hydrogène, électricité, chaleur) sont étudiés en particulier pour maximiser la production de biocarburants à partir d’une quantité de biomasse donnée. Ainsi, en utilisant de l’hydrogène produit avec de l’énergie nucléaire ou des énergies renouvelables, il est possible d’améliorer le bilan de l’opération, sans dégrader le bilan carbone.

Plusieurs pilotes ont été développés au CEA dans le but d’étudier et contribuer au développement des technologies de gazéification de biomasse et déchets pour la production de biocarburants de 2e et 3e générations. Le Lit Fluidisé Haute Température (LFHT) permet d’acquérir des connaissances sur la conduite et le contrôle d’un réacteur à lit fluidisé entre 800 et 1 000°C, de tester différents composants technologiques (alimentation et filtration), d’étudier la gazéification de différentes ressources en présence de vapeur et de caractériser le rendement du dispositif (en fonctionnement allothermique et autothermique). Le Réacteur à Flux Entraîné Giroflé est développé pour étudier la production d’un gaz de synthèse à haute pureté, par gazéification de biomasse et déchets à 1500°C et 30 bar.

Pour le moment, les biocarburants ne sont pas économiquement concurrentiels avec le pétrole. Toutefois, la prise en compte des facteurs environnementaux et sociétaux (bilan de gaz à effet de serre, impact sur la santé et l’emploi…), de la sécurité d'approvisionnement et de l'instabilité des cours du pétrole observée ces dernières années pourraient rendre les biocarburants compétitifs. La France, avec sa faible densité de population comparée aux autres pays européens, est en position favorable pour utiliser la biomasse à des fins énergétiques. Actuellement de l’ordre de 10 Mtep/an, elle pourrait aller jusqu’à 25 Mtep sans modifier l’affectation des sols et en n’utilisant que la croissance annuelle moyenne des plantes. La valorisation des déchets pour produire de l'énergie est également une voie d'avenir, qui conduit à étudier la gazéification de ces ressources, seules ou en mélange.

A plus long terme, le CEA réalise des actions de R&D pour les biocarburants de troisième génération produits à partir de micro-organismes photosynthétiques, comme les micro-algues et les cyanobactéries. Les équipes travaillent sur l'augmentation des capacités de synthèse de ces composés carbonés riches en énergie utilisables comme source de biocarburants (biolipides, bioéthanol…), le développement des procédés hydrothermaux de conversion thermochimique en biopétrole ou en biohuile et l’élaboration de catalyseurs alternatifs au platine pour des utilisations en pile à combustible. La mise au point de ces procédés s’appuie sur des recherches fondamentales en chimie (catalyse biomimétique ou bio-inspirée) et en photosynthèse, mais également sur les nouvelles avancées de la biologie (génomique, protéomique, métabolomique, génétique, biologie des systèmes…). Plusieurs années seront nécessaires pour parvenir à une production industrielle.

Projets de production
de biocarburants avancés

Construction d'une plateforme de R&D unique en Europe

La plateforme GENEPI en développement à Grenoble comporte de nombreuses installations, destinées à tester les différentes étapes de la conversion d’une ressource en gaz de synthèse à une échelle d’environ 50 kg/h.

Le CEA est impliqué dans trois grands projets de plateformes de démonstration de la fabrication de biocarburants de 2e génération en France :

  • Gaya : initié en 2012, ce projet collaboratif associe 11 partenaires dont Engie (ex-GDF-Suez) pour créer du biométhane à partir d’un mélange de bioressources.
  • Syndièse : Le CEA pilote le projet de démonstrateur Syndièse, dont la première phase consiste à développer une technologie innovante de transformation de la biomasse en un gaz de synthèse (Biomass to Syngas), avant sa conversion en biocarburant. Cette première étape a été concrétisée par la réalisation d’une plateforme technologique de prétraitement de la biomasse dans le périmètre de la future zone interdépartementale à Bure-Saudron (Meuse/ Haute-Marne). Inaugurée le 6 octobre 2014, elle est destinée à valider les technologies développées par le CEA, dans le cadre de sa collaboration avec le groupe Air Liquide.
  • Biotfuel : mis en place en 2010, soutenu par l’ADEME et associant l’IFPEN et Total, il porte sur le développement d’une chaîne de production de biocarburants de 2e génération, de type gazole et kérosène.

Les points forts de la filière BtL :


  • Gazéification qui valorise toute la plante (lignocellulose)
  • Filière à fort potentiel : 10 à 18 Mtep suivant les options technologiques
  • Utilisation des infrastructures actuelles de distribution
  • Répond aux besoins du parc automobile européen (80 % diesel)
  • Diesel Fischer-Tropsch de haute qualité et moins polluant que le diesel issu du pétrole (pas de soufre, pas d’aromatiques)