1 Laurent Catoire Professeur des Universités, Université d’Orléans, Département de Chimie et Directeur-adjoint ICARE, CNRS Orléans Biocarburants de seconde génération : enjeux et perspectives Journées académiques UdPPC, Polytech’Orléans, 31 mars 2010

2 Interrelations Energie et Environnement

3 SOMMAIRE  INTRODUCTION : LES SOURCES D’ENERGIE  ENERGIES FOSSILES  pétrole brut  gaz naturel  charbons  PROBLEMATIQUES LIEES A LA COMBUSTION  pollution atmosphérique  effet de serre additionnel  ENERGIE RENOUVELABLES CHIMIQUES ET DEVELOPPEMENT DURABLE : CONVERSION ENERGETIQUE DE LA BIOMASSE  biocarburants de 1 ère génération  biocarburants de 2 ème génération  CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

4 LES SOURCES D’ENERGIE

5 Le soleil Les énergies fossiles –le charbon –le pétrole –le gaz naturel Electricité primaire –l’énergie hydraulique –le nucléaire Autres sources –Les combustibles traditionnels (bois, tourbe) –la biomasse et les déchets –l’énergie éolienne –l’énergie des vagues et des marées –la géothermie

6 LES SOURCES D’ENERGIE Chauffage Electricités (primaire et secondaire) Carburants

7 Evolution technologique et consommation d’énergie Consommation journalière (millions de barils EP) 1860 : : : : : 400 Population : 1860 : ≈ 1 Milliard 1920 : : : : 8

8 ENERGIES FOSSILES

9 Mais réserves prouvées de pétrole brut conventionnel consommées en ≈ 2045 en fait probablement avant Pétrole brut

10 Découvertes et production de pétrole brut Production Découvertes Gb/an

11 mais épuisement prévu ≈ 2070 (d’après réserves prouvées de GN conventionnel) Date du pic de production : incertain 2020 car utilisation pour la production d’électricité (aux dépends du pétrole et des charbons) Gaz Naturel (GN)

12 Charbons 250 ans de réserves prouvées Réactivation probable de la filière

13 Energies fossiles et combustion : problématiques environnementales Couche d’ozone ClimatQualité de l’air UV

14 Energies fossiles et combustion : Problématiques Combustion CO 2 Effet de serre additionnel Modifications potentielles du climat NO x Pollution troposphérique et stratosphérique COV HC suies Effets sur la santé Effets sur la couche d’ozone Espèces soufrées Pluies acides

15 ENERGIES RENOUVELABLES CHIMIQUES ET DEVELOPPEMENT DURABLE : CONVERSION ENERGETIQUE DE LA BIOMASSE

16 Loi d’orientation Grenelle 1 votée le 21 octobre 2008 : 23% des besoins énergétiques français couverts par les énergies renouvelables en Réduction globale de 20% des émissions de gaz à effet de serre d’ici à 2020 par rapport au niveau de 1990 Objectif de l’Allemagne : réduction de 40 % En 2010, objectif global de 21% d’électricité d’origine renouvelable. La politique énergétique européenne

17 BIOMASSE carburants électricité chauffage

18 Les biocarburants

19 Les biocarburants Avantages  Agriculture  Aménagement du territoire  Débouchés  Sécurité d’approvisionnement  Environnement  Moins d’émissions polluantes  Réduction de l’effet de serre Thématique « ancienne » : Diesel (1900)

20 Les biocarburants Inconvénients  Coûts  Augmentation du prix des matières premières  Utilisation d’engrais, de pesticides, défrichements

21 Biocarburants de 1 ère génération

22 Les biocarburants de 1 ère génération  Seules énergies renouvelables directement disponibles sous forme liquide de nos jours  Carburants (de substitution, co-carburant, additif):  Moteur DIESEL (Huiles végétales pures HVP, EMHV esters méthyliques d’huiles végétales, EEHV)  Moteur ESSENCE (Éthanol, ETBE)

23 Principaux modes d’obtention des biocarburants de 1 ère génération ETBE Ethanol sucres Etherification Plantes sucrières Fermentation & distillation Extraction Hydrolyse Plantes amylacées Plantes oléagineuses Extraction & raffiinage transesterification EMHV (Biodiesel) (Biogazole) Huiles végétales Graisses animales Hydrodésoxygénation Gazole renouvelable (C n H 2n+2 ) Graisses animales

Les biocarburants de 1 ère génération (Agrocarburants) Matières premières : produits de réserve BIOETHANOL Betteraves Canne à sucre Erable à sucre Blé Maïs Pommes de terre BIODIESEL (DIESTER) Colza Tournesol Soja Arachide Lin Olivier Palmier à huile Cocotier Plantes sucrières et plantes amylacées Plantes oléagineuses

25 Les biocarburants de 1 ère génération Obtention de bioéthanol à partir des plantes amylacées Plantes amylacées Amidon Glucose C 6 H 12 O 6 Fermentation anaérobie Saccharomyces cerevisiae 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2 3,5 tonnes de blé produisent 1 tonne d’éthanol 1 hectare de céréales produit 2,5 tonnes d’éthanol Hydrolyse enzymatique  -amylase amyloglucosidase

26 Les biocarburants de 1 ère génération Obtention d’éthanol à partir des plantes sucrières Plantes sucrières C 12 H 22 O 11 + H 2 O Fermentation anaérobie Catalyse enzymatique 4 C 2 H 5 OH + 4 CO 2 12,6 tonnes de betteraves produisent 1 tonne d’éthanol 1 hectare de betteraves produit 5,8 tonnes d’éthanol 1 hectare de betteraves produit 2 tep/an saccharose

27 Les biocarburants de 1 ère génération Obtention de biodiesel à partir des plantes oléagineuses Plantes oléagineuses Huile végétale : triglycérides R : chaîne alkyle (C6-C30) grasse saturée, monoinsaturée ou polyinsaturée trituration

28 Les biocarburants de 1 ère génération Obtention de biodiesel à partir des plantes oléagineuses : transestérification Huile végétale : triglycérides +3 CH 3 OH + Cat. 50°C P atm 3

29 Les biocarburants de 1 ère génération Esters méthyliques (EMHV) 2,55 tonnes de graines de colza1 tonne d’huile 1000 litres d’ester Autres « biocarburants » : ETBE et MTBE

30 Biocarburants : bilan environnemental Remplacer un litre d’essence par : un litre d’éthanol un litre d’ETBE Remplacer un litre de gazole par : un litre d’EMHV - 75 % gaz à effet de serre - 31 % gaz à effet de serre - 80 % gaz à effet de serre

31 Biocarburants de 1 ère génération : carburants de substitution ? Filière Culture initiale Poids brut de carburant obtenu par hectare (tonnes) tep/ tonne Energie brute produite par ha (tep) Nombre de km 2 mobilisés pour produire 50 Mtep en % du territoire français en % des SAU 1997 Huile Colza1, %122% Huile Tournesol 1, %157% Ethanol Betterave5,780,693, %42% Ethanol Blé2,550,691, %95% source : rapport DIREM/ADEME sur les biocarburants, 2003

32 Biocarburants de 2 ème génération

33 o filière en développement o Programme National de Recherche sur les Bioénergies (PNRB) : financement ANR (Agence Nationale de la Recherche), mise en œuvre ADEME (Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie) GALACSY SUPERBIO

34 Biocarburants et biocombustibles de 2 ème génération o issus de la biomasse non alimentaire : produit de parois o branches mortes, écorces, broyats divers, plaquettes forestières o biomasse agricole non-spécifique : paille, son, déchets industrie viticole o biomasse agricole dédiée (spécifique) : taillis à très courte rotation (TTCR : bouleau, saule), Miscanthus giganteus o sous-produits et résidus de l’industrie papetière o lisiers, décharges (ordures ménagères), stations d’épuration, etc. (biogaz) o microalgues (biocarburant et biogaz) o huiles végétales usées

35 Biocarburants et biocombustible de 2 ème génération o miscanthus giganteus

36 BIOMASSE (Chauffage et électricité) Logements sociaux chauffés aux granulés de paille (Droué, Loir-et- Cher) depuis début 2008 Remplacement partiel du charbon par la biomasse (déchets de bois, etc.) dans la plus grande centrale thermique au charbon du Royaume- Uni courant 2009 Construction par AREVA de centrales thermiques à biomasse (déchets de bois, paille de riz) en Thaïlande et au Brésil

37 BOIS et DECHETS SYLVICOLES DECHETS AGRICOLES (paille)

38 Ressources en bois (forêts)

39 Ressources en bois

40 Ressources en bois (forêts) 13 Mtep/an

41 Ressources en bois (forêts) 1,6 Mtep/an

42 Autres ressources ligneuses 1,75 Mtep/an - Vignes - Vergers - Arbres urbains

43 Conversion de la biomasse lignocellulosique : thermochimique ou biochimique 40 à 50 % de la masse du bois sec : cellulose Matières premières : produits de paroi

44 25 à 35 % de la masse du bois sec : hémicelluloses Conversion de la biomasse lignocellulosique Mannose Xylose Glucose Galactose ArabinoseAcide glucuronique

45 16 à 33 % de la masse du bois sec : lignine Conversion de la biomasse lignocellulosique

46 Conversion thermochimique de la biomasse lignocellulosique : Bio-oil pyrolyse lente pyrolyse rapide ≈ 600°C dT/dt faible 5-30 min ≈ 650°C dT/dt très élevée 0,5-5 s Huile + « charbons » + gaz Bio-oil trempe Chauffage industriel Electricité CO + H 2 Biocarburants de 2 ème génération FT bois, déchets forestiers, déchets agricoles

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48 Fischer-Tropsch : conversion du gaz de synthèse

49 Conversion biochimique de la biomasse lignocellulosique : Ethanol Délignification par enzymes lignolytiques Pycnoporus cinnabarinus Enzymes : cellulases + hémicellulases Trichoderma reesei Levures Bactéries Saccharomyces cerevisiae Thermoanaerobacter ethanolicus

50 ORDURES MENAGERES EAUX USEES – BOUES DECHETS AGRICOLES (lisier)

51 Méthanisation de la biomasse : Biogaz Méthanisation de la biomasse (déchets végétaux, OM, boues, lisiers) dans un digesteur : Fermentation anaérobie des matières organiques pendant 1 à 3 semaines 55 à 80 % de méthane 20 à 45 % de CO 2 épuration méthane GNV réseauélectricité

52 Méthanisation de la biomasse : Biogaz  conversion possible en carburants liquides : procédé Fischer-Tropsch CH 4 + H 2 O → CO + 3 H 2 carburant CH 4 + ½ O 2 → CO + 2 H 2 carburant Cat. Fe ou Co P = 30 bar T = 300 K Cat. Fe ou Co P = 30 bar T = 300 K

53

54

55 Production de biogaz (ktep) 3 Mtep

56 DECHETS VITICOLES

57 Déchets viticoles : hétérogènes de faible valeur énergétique Conversion énergétique dans l’eau supercritique (374°C, 218 atm) 1 atm = Pa

58 0s7s21s30s94s118s280s 28°C125°C 288°C 202 MPa 374°C 233 MPa 496°C 278 MPa 85°C31°C

59 H2H2 CH 4

60 CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

61 Urgences Limiter le changement climatique Subvenir à nos besoins énergétiques de manière durable → panachage énergétique pour chauffage, électricité et transports → en France, les biocarburants de 2 ème génération semblent crédibles pour assurer une part des transports