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© IFP Controlled CO 2 | Diversified fuels | Fuel-efficient vehicles | Clean refining | Extended reserves Séminaire Agrocarburants et développement durable.

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1 © IFP Controlled CO 2 | Diversified fuels | Fuel-efficient vehicles | Clean refining | Extended reserves Séminaire Agrocarburants et développement durable – Grenoble, 28-29/01/2008 Production d'éthanol par conversion biologique de biomasse lignocellulosique Frédéric Monot - IFP Agrocarburants et développement durable, Grenoble, 28/01/08

2 © IFP Séminaire Agrocarburants et développement durable – Grenoble, 28-29/01/ Ethanol de seconde génération Le contexte Le procédé

3 © IFP Séminaire Agrocarburants et développement durable – Grenoble, 28-29/01/ Bioéthanol: le contexte (1) Production capacities Biofuel production in 2006 North America Central and South America EuropeAsia/ Pacific Africa Biodiesel Bioethanol L'éthanol : l'agrocarburant le plus répandu actuellement

4 © IFP Séminaire Agrocarburants et développement durable – Grenoble, 28-29/01/ Bioéthanol: le contexte (2) La taille de ce cinquième niveau est étudiée pour servir éventuellement de légende aux photos. Vehicle Fuel demand: unbalance in favour of diesel oil... in EU Diesel oil Gasoline Mtons Source: Petroleum Economics Ltd Gasoline Diesel USA Une demande en essence toujours forte au niveau mondial Gasoline Diesel World

5 © IFP Séminaire Agrocarburants et développement durable – Grenoble, 28-29/01/ Bioethanol: Le contexte (3) 2005: 2 % 2010: 5.75 % (9 Mt EtOH) 2020: 10 % (13 Mt EtOH) (% in energy content) Roadmap may depend upon States, e.g. France In USA 2015 : 15 % EtOH in gasoline 90 Mt EtOH (50% corn = 45 Mt !) 2030 : 30 % EtOH in gasoline 160 Mt EtOH Liquid biofuel blending share targets (EC) European Council, March 8-9, 2007, conclusions: A minimum ratio of 10% biofuels of the total consumption of gasoline and diesel oil for transportation in EU, this target having to be achieved by 2020 in all Member States, at a reasonable cost. This target is justified, if the production has a sustainable feature, if second generation biofuels are on the market and the directive on the quality of biofuels has to be modified accordingly to plan the suitable blending levels.

6 © IFP Séminaire Agrocarburants et développement durable – Grenoble, 28-29/01/ Lignine Hemicellulose Cellulose Bioéthanol : le contexte (4) Les polymères pariétaux de la biomasse lignocellulosique

7 © IFP Séminaire Agrocarburants et développement durable – Grenoble, 28-29/01/ La biomasse lignocellulosique : une matière première de composition variable Bioéthanol : le contexte (5)

8 © IFP Séminaire Agrocarburants et développement durable – Grenoble, 28-29/01/ Cellulose Lignine Hemicellulose Bidlack et al., 1992, Proc. Okla Acad Sci., 72: Bioethanol: le contexte (6) Les parois végétales : une structure complexe

9 © IFP Séminaire Agrocarburants et développement durable – Grenoble, 28-29/01/ Quatre étapes principales Le procédé (1) : la production d'éthanol ex BLC Biomasse Prétraitement Hydrolyse Fermentation Distillation Séchage lignine cellulose hémicellulose lignine cellulose hémicellulose hydrolysée lignine glucose éthanol éthanol anhydre

10 © IFP Séminaire Agrocarburants et développement durable – Grenoble, 28-29/01/ Le pr é traitement aim: making cellulose available to the action of enzymes or catalysts (sometimes leads to fractionation, e.g. hemicellulose hydrolysis) technology: physical-chemical, several competing technologies (steam explosion, diluted acid, thermohydrolysis at 200°C,...) constraints: energy consumption, degradation of sugars, formation of toxic compounds, continuous feeding of reactors under pressure, corrosion, dry matter concentration Bioéthanol: le procédé (2) Le prétraitement

11 © IFP Séminaire Agrocarburants et développement durable – Grenoble, 28-29/01/ Explosion à la vapeur de paille de blé Bioéthanol: le procédé (3) Le prétraitement

12 © IFP Séminaire Agrocarburants et développement durable – Grenoble, 28-29/01/ L'hydrolyse conduit à l'obtention d'un sucre fermentescible, le glucose, catalysée par des acides forts ou des enzymes (cellulases); catalyse enzymatique aussi efficace que l'hydrolyse acide, n'engendre pas de déchets et est conduite dans des conditions douces de température et pression; l'hydrolyse enzymatique de la cellulose est plus difficile que celle de l'amidon et est beaucoup plus coûteuse Bioéthanol: le procédé (4) L'hydrolyse

13 © IFP Séminaire Agrocarburants et développement durable – Grenoble, 28-29/01/ Fermentation procédé semblable à la fermentation de l'amidon (levure) mais : présence de lignine = limitation de la concentration initiale en glucose (teneur en matière sèche limitée) et donc de la teneur finale en éthanol, présence éventuelle de composés toxiques libérés lors du prétraitement, les sucres à 5 atomes de carbone issus des hémicelluloses ne sont pas convertis efficacement en éthanol. souches modifiées et améliorées Distillation identique à la distillation d'éthanol classique nécessité de déshydrater pour un usage carburant Bioéthanol: le procédé (5) La fermentation et la distillation

14 © IFP Séminaire Agrocarburants et développement durable – Grenoble, 28-29/01/ Bilan masse dépendant de la matière première (1 t MS) Exemple : teneur en cellulose = 40 % (m/m) (hémicellulose : 25 % -20% xylanes, lignine : 20% ) Rdts : prétraitement 93% hydrolyse 85 % fermentation 46 % Ethanol final : 160 kg (rdt = 70% / théorique) + potentiellement 200 kg xylanes kg lignine + potentiellement 86 kg éthanol ex C5 Bioéthanol: le procédé (6) Bilans

15 © IFP Séminaire Agrocarburants et développement durable – Grenoble, 28-29/01/ Bioéthanol: le procédé (7) Coûts Vision US DOE : $ 2.5/gal ($ 0.7/L) en 2005 : $ 1.31/gal ($ 0.36/L) en 2012 (contribution enzyme: 0.5 to 0.05 $/gal, contribution MP : 0.8 to 0.3 $/gal) Répartition investissements

16 © IFP Séminaire Agrocarburants et développement durable – Grenoble, 28-29/01/ Efforts R&D Hydrolyse enzymatique : obtenir des enzymes plus efficaces diminuer le coût de production des enzymes Prétraitement choix technologiques à effectuer : un bon prétraitement doit déstructurer la paroi végétale sans détruire les sucres (baisse du rendement et production d'inhibiteurs) Fermentation conversion des pentoses en éthanol résistance aux inhibiteurs Intégration du procédé diminuer les consommations d'énergie diminuer les demandes en eau Validation en pilote/démo Bioéthanol lignocellulosique : conclusions

17 © IFP Séminaire Agrocarburants et développement durable – Grenoble, 28-29/01/ Europe Sekab E-Technology (ex Etek) : (2 t/d) in Sweden (NILE) Wood Biogasol (DK) Greencell (Abengoa Bioenergy) Location: Salamanca (Spain) Raw material: wheat and barley straw Capacity : 4000 t/y ethanol (70 t/d raw material) Starting in 2007 Main current projects (1)

18 © IFP Séminaire Agrocarburants et développement durable – Grenoble, 28-29/01/ America Iogen : Canada (30 t/d) Verenium (Louisiana) 3.5 t/d NREL (USA) Abengoa (York) Main current projects (2) Pilot plants source : Celunol

19 © IFP Séminaire Agrocarburants et développement durable – Grenoble, 28-29/01/ Abengoa : t EtOH/y (corn stover, straws, switchgrass). Iogen : t EtOH/y (straw, corn residues, switchgrass) POET (Broin & Associates) : t EtOH/an (corn cobs), integration in a production unit from corn-grain (cellulosic ethanol = 25 % total capacity) Verenium: Celunol process USA : Demo units Main current projects (3)


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