Dossier | L'énergie | Les énergies du 21ème siècle
Produire les biocarburants (4/6)
Décembre 2012
Programme Biocarb - Echantillons de biomasse lignocellulosique. © P. Avavian/CEA
Le 5 décembre 2008, Dalkia a inauguré une plateforme de préparation de la biomasse à Velaine-en-Haye (Meurthe et Moselle).
Elle permettra de rassembler les ressources de quatre départements lorrains et de livrer le combustible dans un rayon de 60 km. Superficie 21 000 m2 - 80 000 t/an
1,6 million d’euros d’investissement.
*tep : tonne équivalent pétrole. Dans les transports, le pétrole domine actuellement le marché de l’énergie, et sert d’unité de mesure. Une tep est la quantité d’énergie obtenue en brûlant 1 tonne de pétrole, ce qui permettrait à une voiture de rouler 11 000 km environ.
L'nstallation Biocarb LFHT permet d’acquérir des connaissances sur la conduite et le contrôle d’un lit fluidisé haute température (LFHT) entre 800 et 1000°C, de tester des composants technologiques (alimentation en biomasse et filtration), d’étudier la gazéification à la vapeur de la biomasse et de caractériser le rendement du dispositif. © P. Avavian/CEA
Une baisse des coûts de production
En 2007, 1 euro par litre équivalent pétrole, pour les deux filières à l’étude. A l’horizon 2010-2015 : l’objectif est de descendre à 0,40 euro par litre équivalent pétrole pour l’éthanol (filière biochimique) et 0,70 pour le BtL (filière thermochimique).
Héliobiotec
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). © CEA
Source principale d’énergie, la biomasse revient en force en Occident. Les recherches menées aujourd’hui ’hui concernent les biocarburants, produits par voie biologique ou thermochimique.
La biomasse est l’énergie stockée dans la matière organique. Plus de 90 % de cette énergie est d’origine végétale. Pour 3 milliards d’individus, soit la moitié de l’humanité, la biomasse dite traditionnelle (sous la forme de bois, déchets végétaux, charbon de bois auxquels on ajoute la bouse de vache séchée) est la source principale, sinon unique, d’énergie.
Biomasse
La biomasse constitue une ressource renouvelable permettant de produire des carburants de synthèse utilisables dans les moteurs traditionnels, essentiellement pour le transport terrestre. Ces « biocarburants » sont actuellement majoritairement produits à partir de cultures agricoles comme la betterave, le blé, la canne à sucre. 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.
On estime de plus qu’un litre d’éthanol produit 75 % de gaz à effet de serre de moins qu’un litre de produit pétrolier, tout point de la filière pris en compte. Pour éviter les conflits avec les autres filières agricoles et ne pas compromettre les besoins alimentaires des populations, la seconde génération de biocarburants vise à exploiter au mieux les ressources végétales peu valorisées, notamment tous les débris. Le potentiel de collecte est estimé à 2,4 Gtep*, soit la demande mondiale en carburant.
Biocarburants
Deux pistes sont explorées : la voie biologique qui donne du bioéthanol, et la voie thermochimique qui produit directement du carburant biodiésel. Cette nouvelle filière doit s’inscrire dans une logique de développement durable tout en n’émettant pas, en bilan net, de gaz à effet de serre. Dans cette perspective, le CEA et l’Institut français du pétrole (IFP) conduisent un programme sur les biocarburants de 2e génération. Pour cela, les chercheurs étudient la voie thermochimique pour produire des biocarburants issus de biomasses constituées de bois, produits et résidus agricoles. Ces recherches sont inscrites dans le programme Biocarb dont l’objectif est de fournir, à partir de biomasse dite « lignocellulosique » (bois / paille, culture spécifique), un gaz de synthèse de haute pureté composé de monoxyde de carbone et d’hydrogène. Ce gaz de synthèse permet ensuite de produire un biocarburant liquide de haute qualité pour les transports (synthèse Fischer-Tropsch de gasoil ou synthèse de méthanol).
Le concept de bio-raffinerie est utilisé pour montrer que la biomasse peut être valorisée en différents produits. Les gazéifieurs classiques conviennent aux petites puissances (10 MW maximum), produisent un gaz plutôt pauvre mais ne nécessitent pas d’apports énergétiques extérieurs. Les nouvelles technologies, dites réacteurs à lits fluidisés à haute température, permettent, par une pyrolyse rapide, de produire un gaz plus riche et sont plus adaptées à des puissances élevées (10 à 200 MW). On recherche en particulier à maximiser la production de biocarburants à partir d’une quantité de biomasse donnée, notamment en étudiant les procédés avec apport d’énergie extérieure (hydrogène, électricité, chaleur). 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 son bilan carbone.
L’Union européenne avait fixé comme objectif 2 % d’intégration de biocarburant dans les carburants actuels en 2005, et 5,75 % en 2010. Pour le moment, ils ne sont pas économiquement concurrentiels avec le pétrole ; mais l’augmentation constante des prix du brut et la prise en compte des paramètres externes (gaz à effet de serre, santé, impact sur l’emploi…) devraient réduire petit à petit cet écart et 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. L’exploitation de la biomasse doit se faire dans des unités collectant dans un rayon qui ne doit pas dépasser la centaine de kilomètres. Il ne faut pas toucher aux forêts et prairies sous peine de libérer une partie du stock de carbone !
A plus long terme, le CEA met en oeuvre une R&D pour des biocarburants de troisième génération produits à partir de micro-organismes photosynthétiques, comme les micro-algues et les cyanobactéries. Les équipes travaillent d’une part sur les capacités de synthèse de ces composés carbonés riches en énergie utilisables comme source de biocarburants (biolipides, bioéthanol…) et sur l’élaboration de catalyseurs alternatifs au platine pour des utilisations en pile à combustible (cf page 30). 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.
Lancement d’un projet de production de biocarburants de 2e génération
Le CEA et ses partenaires industriels et financiers lancent la première phase du projet de construction d’un démonstrateur BtL – « Biomass to Liquid » - de production de biocarburants de 2e génération, sur le site de Bure-Saudron, localisé à la limite des départements de la Haute-Marne et de la Meuse. L’objectif est de démontrer la faisabilité technique et économique d’une chaîne complète de production BtL en France, depuis la collecte de la biomasse jusqu’à la synthèse de carburant. L’introduction d’hydrogène dans le procédé pour optimiser le rendement massique constituera une première mondiale. L’unité pilote sera la première du genre en France, rassemblant en une même installation les différents composants, ou « briques technologiques », de fabrication de ce biocarburant. Le démonstrateur expérimentera à une échelle pré-industrielle la filière BtL par voie « thermochimique » de production de biocarburant. La production attendue est de l’ordre de 23 000 t/an de biocarburant (diesel / kérosène / naphta). Cette filière permet la production d’un biocarburant de très haute qualité, tant du point de vue du fonctionnement des moteurs que de leurs émissions de polluants. Elle constitue l’une des réponses privilégiées par la France et l’Union européenne aux défis énergétiques des transports à l’horizon 2020.
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 moinspolluant que le diesel issu du pétrole(pas de soufre, pas d’aromatiques)