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© IFP-2003 1 Loffre alternative de carburants à long terme : gas to liquid, liquefaction du charbon, biocarburants, hydrogène… Stéphane His Institut Français.

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1 © IFP-2003 1 Loffre alternative de carburants à long terme : gas to liquid, liquefaction du charbon, biocarburants, hydrogène… Stéphane His Institut Français du Pétrole Direction des Études Économiques

2 © IFP-2003 2 Réduire la pollution locale : CO, HC, NO x, fines particules, O 3 Réduire la pollution globale : Gaz à effet de serre (CO2,…) Garantir lapprovisionnement des filières énergétiques pour le transport à moyen et long terme Dans des conditions économiques acceptables... Introduction Principaux enjeux du secteur des transports

3 © IFP-2003 3 g/km20002005 MVEG CO2,31 EssenceHC0,20,1 NOx0,150,08 CO0,640,5 DieselNOx0,50,25 HC+NOx0,560,3 PM0,050,025 0 5 10 15 20 25 30 197219761980198419881992199620002005 CO HC+NOx Normes VP Europe > 70 g/km Évolution de la réglementation antipollution européenne Introduction

4 © IFP-2003 4 Des résultats très importants en matière de pollution locale CO2 polluants Emissions UE Auto Oil 2000, EU Année Introduction

5 © IFP-2003 5 Les réponses possibles Moteurs conventionnels à allumage commandé et injection directe ou indirecte de carburant :moteur à essence à allumage par compression et injection directe de carburant : moteur diesel Carburants conventionnels issus du pétrole avec composants oxygénés et additifs Moteurs alternatifs moteurs dédiés (GNV, GTL, DME,…) nouveaux procédés de combustion (HCCI, CAI) motorisation électrique (batteries ou pile à combustible) motorisation hybride thermique/électrique Carburants alternatifs carburants reformulés (moteurs conventionnels, nouveaux procédés de combustion, reformeur ) gazeux: GPL, GNV, DME, H2 GTL bio-carburants (ethanol, methanol, ETBE, MTBE, EMHV Pollution locale Approvisionnements en énergie Emissions de GES Introduction

6 © IFP-2003 6 La situation aujourdhui 1460 MTEP 40 MTEP Les carburants alternatifs daujourdhui

7 © IFP-2003 7 Brésil États-Unis Autres Production mondiale déthanol carburant : 19 Mt Production mondiale dEMHV carburant : 1,6 Mt Consommation mondiale de pétrole dans les transports : 1,5 Gt France Allemagne Italie Autres Les biocarburants Les carburants alternatifs daujourdhui

8 © IFP-2003 8 Les biocarburants Les carburants alternatifs daujourdhui

9 © IFP-2003 9 Bonne aptitude au mélange avec lessence - Europe : E5 - États-Unis : E10 - Brésil : E22/24 - Brésil et États-Unis : E85+ Très bon indice doctane : moins de risques de cliquetis Combustion avec un impact positif sur lenvironnement (local et global) en comparaison avec la combustion de lessence - HC, CO : - 5% à - 10% - Gain sur les émissions de CO 2 Les biocarburants Les carburants alternatifs daujourdhui Léthanol

10 © IFP-2003 10 Accroissement des émissions par évaporation (en mélange à 5% : risque d'accroître jusqu'à 50% les HC évaporés) - impact potentiel sur la pollution à lozone Faible contenu énergétique : 1/3 de moins que les carburants pétroliers Inconvénients de léthanol A de faibles teneurs en éthanol et en présence de trace deau, risque de séparation des phases A de fortes teneurs en éthanol, nécessité dadapter le véhicule - systèmes d'injection - réglages moteurs - compatibilité des plastiques et des joints Les biocarburants Les carburants alternatifs daujourdhui

11 © IFP-2003 11 Des solutions Incorporer léthanol à une essence à volatilité réduite Transformer léthanol en ETBE LETBE permet de gommer les principaux inconvénients de léthanol en mélange : - évaporation - séparation des phases Mais… disponibilité en isobutène limitée en raffinerie et bilan CO 2 moins favorable Les biocarburants Les carburants alternatifs daujourdhui

12 © IFP-2003 12 Les biocarburants Les carburants alternatifs daujourdhui

13 © IFP-2003 13 Avantages des EMHV Bonne aptitude au mélange avec le gazole - EMHV 5 distribué de façon banalisée - EMHV 30 utilisé sur des flottes captives Effet de substitution positif - absence de soufre et de composés aromatiques - pouvoir lubrifiant Impact positif de la combustion sur lenvironnement (local et global) en comparaison avec la combustion de gazole - diminution des émissions dHC et de particules - bilan CO 2 favorable Les biocarburants Les carburants alternatifs daujourdhui

14 © IFP-2003 14 Coûts comparés des principales filières biocarburants Ethanol Europe 0,4-0,6 /l 0,3 $/l0,35-0,65 /l 19-29 /GJ 10,5-20 /GJ 0,23 $/l 11 $/GJ 14 $/GJ Ethanol Etats-Unis Ethanol Brésil EMHV Europe Ordre de grandeur de prix des carburants pétroliers Brut à 25 $/bl Brut à 50 $/bl 0,2 $/l ou 6$/GJ 0,4 $/l ou 12$/GJ Sources : AIE/IFP Les biocarburants Les carburants alternatifs daujourdhui Principale limite : le coût

15 © IFP-2003 15 Éthanol EMHV Betterave Blé Surface (ha) Qté produite (t) 12 000 14 400 60 000 36 000 Oléagineux280 000357 000 Aujourdhui 2010 (5,75%) Éthanol EMHV Betterave Blé Surface (ha) Qté produite (t) 53 600 270 000 300 000 700 000 1 900 0002 400 000 Oléagineux ? Exemple en France Les biocarburants Les carburants alternatifs daujourdhui Principale limite : la compétition avec lalimentaire

16 © IFP-2003 16 Principale limite des volumes importants de co-produits à valoriser Ordre de grandeur des volumes de co-produits générés par filières : Éthanol 0,75 t. de pulpes/t. déthanol ex-betterave 1,2 t. de drèches/t. d éthanol ex-blé EMHV 1 à 1,5 t. de tourteaux/t. dEMHV 0,1 t. de glycérine/t. dEMHV Alimentation animale Marché de valorisation des co-produits Alimentation, cosmétique, etc. Alimentation animale Les biocarburants Les carburants alternatifs daujourdhui

17 © IFP-2003 17 Les carburants alternatifs daujourdhui Les carburants gazeux Avantages : Diversification de loffre carburant dans le secteur des transports Gain environnemental par rapport aux solutions conventionnelles (positif ou nul sur les aspects pollutions locales et positif dun point de vue effet de serre ~ 10% pour le GPL et 25 à 30% pour le GNV) Inconvénients : Nécessité du développement dune infrastructure de distribution et dune adaptation des véhicules Ressources fossiles limitées

18 © IFP-2003 18 Les carburants alternatifs de demain Les biocarburants

19 © IFP-2003 19 Les BTL sont : – – des gazoles à haut indice de cétane : ~ 70 – – des gazoles sans aromatique – – des gazoles sans soufre Ils peuvent être utilisés purs ou en mélange dans les gazoles actuels Ils permettent de réduire significativement les émissions, notamment de particules Ils offrent un fort potentiel doptimisation du couple moteur/gazole pour atteindre de très bas niveaux de rejets de CO 2 Les propriétés des produits Les carburants alternatifs de demain Les biocarburants

20 © IFP-2003 20 Coûts de production AujourdhuiAprès-demain 0,36 $/l0,19 $/l Demain 0,29 $/l 14 $/GJ 17 $/GJ Ethanol ex lignocellulose BtL 9 $/GJ 0,8 $/l 21 $/GJ Principales caractéristiques des nouvelles filières Pas de co-produits Un potentiel en ressource très difficile à estimer : 1 à 10 Gtep/an à lhorizon 2050/2100 ???? Sources : AIE/IFP 0,4-0,5 $/l 11-14 $/GJ Les carburants alternatifs de demain Les biocarburants

21 © IFP-2003 21 Le GTL Préparation du gaz de synthèse Synthèse Fischer -Tropsch Hydrocraquage H2O, O 2 CO + 2H 2 -CH2- Essence Kérosène Gazole GN Les carburants alternatifs de demain Les carburants de synthèse

22 © IFP-2003 22 Le CTL Préparation du gaz de synthèse Synthèse Fischer -Tropsch Hydrocraquage H2O, O 2 CO + 2H 2 -CH2- Essence Kérosène Gazole Charbon Preparation du mélange Hydrogénation Traitement et raffinage Charbon solubilisé H2H2 Voie directe -CH2- Voie indirecte Les carburants alternatifs de demain Les carburants de synthèse

23 © IFP-2003 23 Coûts de production Investissement $/bl/j Prix des produits $/bl 16 à 26 GTL CTL Éléments économiques sur les filières GTL et CTL Rendement énergétique faible (50% à 60%) Importantes émissions de CO2 : capture et stockage du CO2 ? 20 à 30 000 45 à 60 000 ~ 40 Pour un gaz de 0,5 à 1 $/mmbtu Les carburants alternatifs de demain Les carburants de synthèse

24 Produits issus de Biomasse ELECTRIQUE THERMIQUE TURBINES PAR CRAQUAGE THERMOCHIMIQUE MECANIQUE PAR REFORMAGE Combustibles Fossiles HYDROGENE Liquéfié Sous pression Hydrures Carbones Microbilles … EAU HYDROCARBONES DECOMPOSITION FORME DENERGIE STOCKAGE/DISTRIBUTION PRODUCTIONCONVERSION/UTILISATION Charbon Pétrole Gaz naturel Alcools Biogaz (CH 4, H 2, CO,) PAR ELECTROLYSE Alcaline Haute pression Haute température Electrolyte polymère solide Photoélectrochimique PHOTOBIOLOGIQUE COMBUSTIONCOMBUSTION ELECTROCHIMIEELECTROCHIMIE CHAUDIERES MOTEURS FUEL CELLS PEMFC SOFC Lhydrogène Les carburants alternatifs de demain

25 © IFP-2003 25 La nécessité dune approche globale pour aborder correctement la problématique « effet de serre » La démarche du « puits à la roue » prend en compte lensemble des étapes du cycle de production des carburants de lextraction des matières premières à lutilisation du carburant dans lautomobile Les carburants alternatifs de demain

26 © IFP-2003 26 MCI+GTL MCI Hybride+GTL MCI+DME MCI Hybride +DME MCI+BTLMCI Hybride+BTL MCI Hybride+GN MCI+Ethanol MCI Hybride+Ethanol MCI+Diester MCI Hybride+Diester MCI+GN Gr CO2 éq./km L éq. essence/100 km Source : JRC/EUCAR/CONCAWE, Janvier 2004 0 50 100 150 200 024681012141618 MCI+Essence MCI+Gazole MCI hybride+essence MCI Hybride+gazole PAC+H2 liquéfié ex électricité EU-mix PAC+H2 comprimé ex- électricité EU-mix PAC+H2 comprimé ex-charbon centralisé PAC reformeur+essence PAC+H2 liquéfié ex GN centralisé PAC+H2 comprimé ex GN sur site PAC+H2 comprimé ex GN centralisé PAC+H2 comprimé ex- électricité Nuc. PAC+H2 comprimée ex bois PAC+H2 comprimé ex- électricité éolien Bilan comparatif du « puit à la roue » Les carburants alternatifs de demain

27 © IFP-2003 27 Coût de la filière hydrogène : la filière hydrogène comprimé ($/GJ) Lhydrogène Les carburants alternatifs de demain

28 © IFP-2003 28 $/kg dH2 Source : Dynetek Avec des hypothèses de production de masse, le DOE annonce des valeurs comprises entre 200 et 500 $/kg dH2. Lobjectif est darrivé à 66 $/kg en 2015. Les carburants alternatifs de demain Lhydrogène

29 © IFP-2003 29 Source : Directed Technologies ? Lhydrogène Les carburants alternatifs de demain

30 © IFP-2003 30 Lhydrogène Les carburants alternatifs de demain Évolution de la demande mondiale de platine avec une réduction à 0,2 g/kw (/5 à 10 par rapport à aujourdhui) du contenu en platine des PAC Source : TIAX, Décembre 2003

31 © IFP-2003 31 Les optimistes : Chevrontexaco

32 © IFP-2003 32 Les optimistes : Chevrontexaco

33 © IFP-2003 33 Les pessimistes :Exxonmobil

34 © IFP-2003 34

35 © IFP-2003 35 Quel avenir énergétique dans les transports ? Moyen terme : carburant liquide et hybridation des véhicules brut conventionnel/non-conventionnels biocarburants (EMHV, Éthanol, BtL) GTL/CTL Long terme : H2/électricité

36 © IFP-2003 36 MCI : 45 170 215 H2+PAC+Moteur : 60 273 343 Batterie avancée + Moteur : 383 73 456 Masse kg Comparaison pour un véhicule de 75 kw dune autonomie de 600 km Quel avenir énergétique dans les transports ? Source IFP & EUCAR/JRC/CONCAWE 2004 Stockage dénergie ConvertisseurTotal

37 © IFP-2003 37 Ammoniaque Raffinage Méthanol Autres Production Captive Pipeline En bouteille/liquide Production Marchande 10 9 SCF 20000 G.SCF = 535 G.Nm3 = 48 M.tH2 = 138 M.TEP Lindustrie existante Production Production H2

38 © IFP-2003 38

39 © IFP-2003 39 * Prix de lélectricité constaté en juillet 2002 4Les coûts de production de lH2 Lindustrie existante Économie Production

40 © IFP-2003 40 Lindustrie existante Les différents modes de distribution Source : Air Liquide

41 © IFP-2003 41 Lindustrie existante Environ 2500 + km de pipelines dans le monde Source : Air Liquide

42 © IFP-2003 42 Lindustrie existante Environ 2500 + km de pipelines dans le monde Source : Air Liquide

43 © IFP-2003 43 PEMFC AFC PAFC MCFC SOFC DMFC Électrolyte Membrane polymère Solutions de KOH Acide phosphorique Carbonate fondu Oxydes solides Membrane polymère T (°C) 80-90 180-210 600-700 800-1000 80-90 Rdt (%) 30-50 55-60 36-45 50-60 50-70 34 Reformage Ext. Ext./int. Int. États de développement Proto. auto et indus. Appli. espace & auto Pré-commerciale Proto. indus. Test indus. et labo Recherche Les piles à combustibles Les nouveaux challenges

44 © IFP-2003 44 Les piles à combustibles Pile PEMFC alimentée en H 2 : description du fonctionnement Les nouveaux challenges

45 © IFP-2003 45 Molécule très énergétique: 120 MJ/kg contre 50 MJ/kg pour CH4 toutefois énergie volumique 3.5 fois plus faible Densité volumétrique de plusieurs carburants Stockage/distribution : arriver à stocker à un moindre coût lhydrogène Les nouveaux challenges

46 © IFP-2003 46 Molécule très énergétique: 120 MJ/kg contre 50 MJ/kg pour CH4 toutefois énergie volumique 3.5 fois plus faible Stockage/distribution : arriver à stocker à un moindre coût lhydrogène Les nouveaux challenges SolideLiquideGazeux

47 © IFP-2003 47 Principales opérations de démonstration « stations services » dans le monde : États-Unis Arriver à bâtir une infrastructure Les nouveaux challenges

48 © IFP-2003 48 Principales opérations de démonstration « stations services » dans le monde : le Japon Arriver à bâtir une infrastructure Les nouveaux challenges

49 © IFP-2003 49 Principales opérations de démonstration « stations services » dans le monde : Europe (projet CUTE) Arriver à bâtir une infrastructure Les nouveaux challenges


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