Carburants alternatifs: éléments de comparaisons Didier Pillot Conférence du 21 septembre 2010, Lyon

Pourquoi limiter l’usage des carburants pétroliers ? Enjeux climatiques (CO2) La dernière décennie est la plus chaude des annales. 385 ppm CO2 (2008) Émissions liées à la combustion des énergies fossiles en croissance de 40% depuis 1990 Enjeux sanitaires (émissions locales de polluants) Protéger les populations urbaines (SO2, NO2, particules, O3... ) avec la loi LAURE (30 déc.1996) / les seuils de concentrations (OMS) : Plan Régional de la Qualité de l'Air (PRQA) Plans de Protection de l'Atmosphère (PPA) Plan de Déplacement Urbain (PDU) Populations urbaines : surtout les riveraines des trafics En regardant l'évolution des températures depuis 1890, on constate une nette tendance au réchauffement à la surface du globe, et ce malgré un inversement des températures entre les décennies 1940 et 1970, indique le GISS (Goddard Institute for Space Studies, Institut d'étude spatiale Goddard de la NASA) . Au cours des 30 dernières années, cet institut a enregistré une hausse moyenne d'environ 0,2 degré Celsius par décennie. Au total, les températures du globe ont grimpé de quelque 0,8 degré depuis 1880. http://www.cyberpresse.ca/environnement/climat/201001/21/01-941639-la-derniere-decennie-la-plus-chaude-dans-les-annales.php Fin 2008, l’AIE reconnaît officiellement que le pic pétrolier sera atteint en 2020, (la production de pétrole conventionnel atteindra son pic bien avant) D’autres instances, dont l’ASPO, estiment que le pic sera atteint (déjà atteint ?) bien avant 85 % de l’énergie consommée dans le monde est d’origine fossile et les transports dépendent à plus de 95% du pétrole Les énergies renouvelables ne pourront se substituer que très partiellement aux énergies fossiles Le temps d’adaptation de l’économie face à une contrainte énergétique forte est estimé à deux décennies Le dernier rapport du GIEC table sur une augmentation moyenne de la température de 2 à 6° C pour la fin du siècle Les prévisions les plus pessimistes sont largement dépassées (augmentation de 7,6 % entre 2000 et 2006) Objectif à 450 ppm (pour limiter le réchauffement global à 2°) déjà hors d’atteinte ? Capacités d’absorption de CO2 des écosystèmes en limite ? Les conséquences déjà observables semblent également plus importantes (fréquence, intensité) que celles prévues  On entre en « zone inconnue »  les objectifs de réduction doivent être mis en oeuvre dès à présent, à minima de 3% par an et certainement beaucoup plus Enjeux énergétiques Les transports dépendent à plus de 95% du pétrole Fin du pétrole abondant et bon marché  Quelle offre pour une demande croissante ? Vers plus d’indépendance énergétique… et moins de tensions géopolitiques ?

Les différentes filières de production de carburants alternatifs Les carburants d’origine fossile Les organo-carburants (ex biomasse / déchets organiques) Les carburants gazeux GPL (Gaz de Pétrole Liquéfié) GNV (Gaz Naturel Véhicule) DME (Diméthylether ex méthanol) H2 (ex gaz naturel) Les carburants de synthèse (hydrocarbures liquides par synthèse F-T) GTL (ex GNV) CTL (ex charbon) F-T : procédé Fischer-Tropsch Biogaz (ou biométhane) Agrocarburants (Génération 1) Huiles végétales pures (HVP) Esters d’huile végétale ou biodiesel Éthanol (ex betterave, blé, canne…)  ETBE (avec isobutène en raffinerie) Biocarburants (G 1,5) Huiles végétales hydrogénées (HVO) Biocarburants (G 2 voire 3) Éthanol (ex biomasse lignocellulosique) BTL (gazéification, synthèse F-T) Bio-DME (par gazéification) Isobutène (microbiologie) Biobutanol (fermentation) Algocarburants (ex algues) H2 (par gazéification biomasse) Un combustible fossile désigne un combustible produit à partir de roches issues de la fossilisation d'éléments organiques en : pétrole, gaz naturel et houille (charbon). Ces combustibles sont présents en quantité limitée et non renouvelables à l'échelle du temps humain. le procédé FISCHER-TROPSCH : Ce procédé qui n'est toutefois pas récent, semble répondre à la question "comment fabriquer du kérosène ou de l'essence quand on a pas de pétrole". En effet, l'histoire rappelle que vers le milieu de la seconde guerre mondiale, les Allemands à court de brut pour alimenter leurs raffineries, appliquèrent alors un procédé inventé par Hans Fischer et Franz tropsch en 1920 pour fabriquer de l'essence à partir de charbon. Pareillement, l'Afrique du Sud eut recours au même procédé en 1955 puis, de manière plus intensive, durant l'embargo anti-apartheid qui avait créé une pénurie de brut. Grâce à cela, le pétrolier sud-africain Sasol put produire de l'essence du gasoil, des bases pétrochimiques et des lubrifiants. Aujourd'hui, le procédé FISCHER-TROPSCH revient à la mode grâce au progrès des catalyseurs et à l'envol des cours du baril de pétrole car il permet d'obtenir aussi bien du Jet A1 que de l'essence ou toute autre base pétrolière, à partir d'à peu près n'importe quoi : charbon, gaz naturel, biomasse, sables bitumeux, etc... Toutefois, actuellement, c'est surtout le gaz naturel qui sert de base ou de charge. On parle alors de GTL (gas to liquid) mais il existe aussi le CTL à partir du charbon ou le BTL à partir de la biomasse. En outre, les carburants obtenus par ces procédés sont plus propres et le kérosène émanant du procédé Fischer-Tropsch est exempt de soufre.

Carburants actuellement distribués Carburants alternatifs d’origine fossile… GPL (butane + propane) liquide sous 5 bars, très nombreuses pompes GNV ou GNC (gaz naturel véhicule ou comprimé) Carburants alternatifs… et renouvelables (en tout ou partie) E5 à E7 (5 à 7% d’éthanol en vol. ou eq ETBE banalisé dans le SP95 et le SP98) SP95-E10 (10% d’éthanol en vol. remplace lentement le SP98) E85 (véhicules dédiés "Flex-fuel" ; 10 400 véhicules * de ce type au 1er janvier 2010 et 320 pompes environ) B5 à B7 (5 à 7% d’EMHV en volume, banalisé aux pompes gazole) B30 (flottes captives collectivités) HVP (flottes captives : producteurs agricoles et collectivités) Biogaz (ou biométhane) flottes captives (expérience de Lille,…) L’ETBE est le résultat de la synthèse entre 47 % de bioéthanol et 53 % d’isobutylène, en volume, une base pétrolière issue des raffineries et de l’industrie chimique. Il est destiné à être incorporé à de l’essence, jusqu’à 15 %. L’ETBE constitue la voie historique de l’incorporation de l’éthanol dans l’essence depuis 1992. dont 3 135 ventes réalisées en 2009 (+ 3,6 % par rapport à 2008)

Le GPL bicarburation essence Constitué de butane et de propane (≈ 50-50) carburant gazeux facile à liquéfier (5 à 7 bars) : densité énergétique proche de celle de l’essence Issu du raffinage du pétrole (40 %) ou de l'épuration du gaz naturel (60 %) Utilisation en tant que carburant (GPLc) mineure (5%) par rapport aux autres usages : bouteilles pour cuisine, chauffage… Carburant le moins cher actuellement, grâce à une fiscalité avantageuse: TIPP réduite (0,70 €/l), bonus écologique de 2 000 € *, carte grise gratuite ou à 50% dans de nombreuses régions Ventes faibles en France : 215 000 m3 de GPLc en 2007 pour 13 millions de m3 d’essence. Mais en croissance forte : 2,5% du marché des véhicules neufs début 2010, 10 fois plus qu’un an plus tôt Avantages environnementaux par rapport à l’essence: -10% CO2, -25% HC, -66% formaldéhydes et HAP malgré une consommation au litre de 30% supérieure ; mais 6 fois plus de NOx et par rapport au gazole: -60% NOx, -95% particules, -90% aldéhydes, mais + 10% CO2 Les aldéhydes font partie des Composés Organiques Volatils (COV) présents dans l'environnement. Naturellement émis, ils proviennent également de l'activité humaine. Ils sont à la fois des polluants primaires provenant de différentes sources, notamment de la combustion incomplète de produits organiques, mais aussi des polluants secondaires, émis lors de la photooxydation des COVs initiée par le rayonnement solaire (pollution photochimique). Connus pour être odorants, leurs effets sur la santé ne sont pas totalement identifiés. Cependant, il a été prouvé qu'ils étaient irritants pour les muqueuses, notamment celles des voies respiratoires (nez, poumons), de plus ils sont également suspectés d'être vecteurs de cancer, mais les informations dans ce domaine restent incomplètes. * si le véhicule rejette moins de 135 g/km de CO2

Le GNV bicarburation essence Gaz Naturel Véhicule ou GNC (comprimé), composé de méthane (CH4) essentiellement, le même gaz que fournit GdF pour le chauffage et la cuisine, mais qui doit être comprimé à 200 bars dans les véhicules pour disposer d'une autonomie correcte ( 250 km) du fait de sa faible densité énergétique au litre. Provenance de Russie (par gazoducs) et Algérie (par méthaniers; le gaz est transporté liquide à -162 °C et à pression atm.) Carburant moins cher grâce à une fiscalité avantageuse: TIPP réduite (90% du litre d’essence équivalent), bonus écologique de 2 000 €, carte grise gratuite ou à 50% dans de nombreuses régions Peu de pompes publiques… Ventes auprès de flottes captives : plus de 2200 bus roulent au GNV en France, 750 BOM… Mais 1,1 million de véhicules en Argentine, 640 000 au Brésil, 400 000 en Italie… Avantages environnementaux par rapport à l’essence: -23% CO2, -30% HC, mais + 400% NOx ; et par rapport au gazole: -75% NOx, -95% particules, mais + 10% CO2

Émissions relatives de polluants (à l’échappement) CO2 /ess /gazole GPL -10% +10% GNV -23% +10% E10 -2% E85 -5% B5 -1% B30 HVP 30% +2% NOx /ess /gazole HC Particules /gazole sans FAP x6 ? -60% -25% ≈ x4 -75% -30% x4 +30% -25% ≈ -5% -10% -20 à -40% +4% +20 et -10% +30% froid -10% chaud

Étude RATP (2006) Traction + Amortissement + Maintenance

Les biocarburants de 2ème génération Ou biocarburants de synthèse Gazéification puis synthèse par Fischer-Tropsch pour le FT-diesel, le diméthyl-éther (DME), l'hydrogène (H2) et, dans une moindre mesure, le méthanol Hydrolyse enzymatique pour l’éthanol dit "éthanol cellulosique" Filières de biocarburants liquides plus prometteuses à moyen ou long terme Avantages : transformation de la biomasse lignocellulosique (bois, herbe, déchets et résidus agricoles, etc.), disponible en plus grandes quantités, généralement moins coûteuse et ne présentant pas de compétition directe avec l'alimentation 2009 – 2011 Démonstrateurs de recherche pour la production de biocarburants de 2ème génération (voie thermochimique et biologique). 2012 – 2015 Lancement des premières opérations de taille industrielle. Faire évoluer les unités autothermiques vers des unités allothermiques. 2015 – 2020 Des installations industrielles sont en fonctionnement et représentent une part croissante du marché. (bioraffineries) Feuille de route

Les carburants de synthèse Le procédé FISCHER-TROPSCH n'est pas récent et permet de répondre à la question " comment fabriquer du carburant quand on n’a pas de pétrole ? "  L'Afrique du Sud a eu recours à ce procédé de manière intensive durant l'embargo anti-apartheid qui avait créé une pénurie de brut. Grâce à cela, le pétrolier sud-africain Sasol a pu produire de l'essence, du gazole, des bases pétrochimiques et des lubrifiants. Actuellement, c'est surtout le gaz naturel qui sert de base ou de charge. On parle alors de GTL (gas to liquid) mais il existe aussi le CTL à partir du charbon ou le BTL à partir de la biomasse. Les carburants obtenus par ces procédés sont plus propres (exempt de soufre). Aujourd'hui, le procédé FISCHER-TROPSCH revient en force grâce au progrès des catalyseurs et à l'envol des cours du pétrole car il permet d'obtenir aussi bien du Jet A1 (kérosène) que de l'essence ou toute autre base pétrolière, à partir d'à peu près n'importe quoi : charbon, gaz naturel, biomasse, sables bitumeux, etc...

Le DME (diméthyl éther) Gaz propre, incolore, similaire au GPL dans sa facilité de liquéfaction (5 bars) haute densité énergétique Synthétisé à partir de gaz naturel, de charbon ou encore de résidus lourds de raffinerie, ou encore de biomasse (Suède) Convient pour les moteurs diesel les plus performants après adaptation (légère) Non toxique, émissions polluantes réduites (particules très faibles même sans filtre) Bilans énergétique et environnemental très favorables lorsque produit à partir d’un déchet de l’industrie papetière, la liqueur noire (riche en lignine et hémicellulose du bois) Procédé de gazéification et synthèse testé en Suède, doit passer à l’étape industrielle en 2013 Volvo fait rouler 14 camions avec du DME entre 2010 et 2013 pour tester les moteurs utilisant ce nouveau carburant Le groupe Chemrec AB estime pouvoir remplacer à terme 50% de la consommation actuelle de diesel par du DME produit à partir de liqueur noire, c'est-à-dire 25% de toute la consommation totale de carburants en Suède Le diméthyl éther (DME) est un gaz synthétisé à partir de gaz naturel, de biomasse, de charbon ou encore de résidus lourds de raffinerie (petcoke). le DME est, depuis les années soixante, principalement utilisé comme propulseur dans les aérosols, pour les besoins de l’industrie cosmétique. Il présente cependant un potentiel remarquable sur quatre grands marchés : comme combustible dans les usages industriels et domestiques (mélange DME/GPL), comme carburant pour les véhicules diesel, comme charge pétrochimique en remplacement du naphta et dans la génération électrique.

Compromis énergie / effet de serre

Approche "cycle de vie" Bilan des gaz à effet de serre des biocarburants (EMPA 2007) De nombreux biocarburants permettent de réduire de plus de 30% les émissions de gaz à effet de serre, mais…

Approche environnementale globale Bilan écologique global des biocarburants (Ecopoints, UBP 2006) Le bilan global (voir figure ci-dessous) a été déterminé à l’aide de la méthode suisse de la saturation écologique (ou UBP) qui évalue la différence entre les impacts sur l’environnement et les valeurs limites légales. Les résultats de l'évaluation selon la méthode UBP aboutit à une image relativement négative des biocarburants. Dans le cas de l’agriculture tropicale, c’est tout d'abord le défrichage par brûlage des forêts qui libère de grandes quantités de CO2, provoque une augmentation de la pollution atmosphérique et exerce des effets néfastes sur la biodiversité. Sous nos latitudes, ce sont plutôt les faibles rendements surfaciques, la fertilisation intensive et la mécanisation qui sont la cause d'un bilan écologique défavorable. Potentiel d’Eutrophisation des agrocarburants 10 fois plus élevé que pour les carburants fossiles. Méthode suisse de la saturation écologique (ou UBP) : différence entre les impacts sur l’environnement et les valeurs limites légales Impact du défrichage et brûlage des forêts sur la pollution atmosphérique, sur la biodiversité, faibles rendements surfaciques, fertilisation intensive et mécanisation sont la cause d'un Bilan écologique défavorable de tous les agrocarburants par rapport aux carburants pétroliers

Carburants issus de technologies de rupture D’après "Betting on Science - Disruptive Technologies in Transport Fuels" Étude Accenture, novembre 2009 12 solutions (évolutions ou révolutions) en cours de développement, commercialisables dans 5 ans, dont: Valorisation des déchets pour produire des carburants Plantes génétiquement modifiées (requièrent moins d’eau, d’engrais, + résistantes, …) Enzymes améliorant le rendement en sucre et alcool des plantes sucrières Conversion biocatalytique et biofermentation (bactéries) pour la conversion de sucres en biodiesel ou éthanol Valorisation des co-produits (glycérine) par procédé de fermentation Utilisation des algues comme biomasse (meilleur rendement à l’ha, à un coût + faible) Production de butanol ex-biomasse par fermentation bactérienne (le butanol est + performant que l’éthanol) Besoin du soutien des pouvoirs publics pour favoriser le déploiement commercial de ces technologies et de dispositifs réglementaires plus clairs pour encadrer et imposer la biologie de synthèse, la valorisation des déchets et l’éco-utilisation de l’eau et de l’énergie dans la production des biocarburants

Contexte règlementaire (UE) Directives européennes : Pour 2010  5,75% de biocarburants pour les transports (Directive 2003/30/CE) Pour 2020  10% de carburants d’origine renouvelable : biocarburants ou électricité et H2 "verts" (Directive Énergies Renouvelables 2009/28/CE) avec des critères de durabilité des biocarburants : réduction des émissions de GES d’au moins 35% *, protection des terres à grande diversité biologique, forêts, zones humides, tourbières,… Émissions de CO2 limitées pour les voitures neuves : 120 g/km pour 65% des nouvelles voitures en 2012, 75% en 2013, 80% en 2014 et 100% en 2015 Part des carburants alternatifs (contenu énergétique) envisagée par la CE en 2001 * Taux porté à 50 % à partir de janvier 2017, puis à 60 % à partir de janvier 2018 pour les biocarburants produits après le 1er janvier 2017

Plans français "Plan biocarburants" en 2004  plus ambitieux que les objectifs européens (agrément pour 6 usines de production) Incitations fiscales : 25 c€/l puis 21 c€/l en 2009, 18 c€/l en 2010 et 14 c€/l en 2011 pour l'éthanol et 33 c€/l puis 15 c€/l en 2009, 11 c€/l en 2010 et 8 c€/l en 2011 pour le biodiesel (en mélanges directs) 1er janvier 2007 : filière E85 (ou Superéthanol). L’éthanol pour E85 bénéficie toujours de la fiscalité la plus avantageuse autorisée par la Commission Européenne, soit 23 c€/l de défiscalisation (contre 33 c€/l en 2007) 1er avril 2009 : lancement de l’E10 (pour l’objectif à 7% PCI de 2010) 2010 : exonération de la taxe carbone…