L’offre alternative de carburants à long terme : gas to liquid, liquefaction du charbon, biocarburants, hydrogène… Stéphane His Institut Français du Pétrole Direction des Études Économiques

Dans des conditions économiques acceptables... Introduction Principaux enjeux du secteur des transports Réduire la pollution locale : CO, HC, NOx, fines particules, O3 Réduire la pollution globale : Gaz à effet de serre (CO2,…) Garantir l’approvisionnement des filières énergétiques pour le transport à moyen et long terme Dans des conditions économiques acceptables...

Introduction Normes VP Europe > 70 g/km Évolution de la réglementation antipollution européenne Normes VP Europe > 70 g/km 5 10 15 20 25 30 1972 1976 1980 1984 1988 1992 1996 2000 2005 CO g/km 2000 2005 MVEG CO 2,3 1 Essence HC 0,2 0,1 NOx 0,15 0,08 CO 0,64 0,5 Diesel NOx 0,5 0,25 HC+NOx 0,56 0,3 PM 0,05 0,025 HC+NOx

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

Les réponses possibles Introduction 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

Les carburants alternatifs d’aujourd’hui La situation aujourd’hui 40 MTEP 1460 MTEP Attention : on n ’aurait pas le même résultat sur un downsizing de petit moteur: la limite est à 300 cc importance de la transmission et des boites de vitesse Interet des CVT

Les carburants alternatifs d’aujourd’hui Les biocarburants Production mondiale d’éthanol carburant : 19 Mt Production mondiale d’EMHV carburant : 1,6 Mt France Brésil Italie Autres Allemagne Autres États-Unis Consommation mondiale de pétrole dans les transports : 1,5 Gt

Les carburants alternatifs d’aujourd’hui Les biocarburants

Les carburants alternatifs d’aujourd’hui Les biocarburants L’éthanol Bonne aptitude au mélange avec l’essence - Europe : E5 - États-Unis : E10 - Brésil : E22/24 - Brésil et États-Unis : E85+ Très bon indice d’octane : moins de risques de cliquetis Combustion avec un impact positif sur l’environnement (local et global) en comparaison avec la combustion de l’essence - HC, CO : - 5% à - 10% - Gain sur les émissions de CO2

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

Les carburants alternatifs d’aujourd’hui Les biocarburants Des solutions Transformer l’éthanol en ETBE L’ETBE permet de gommer les principaux inconvénients de l’éthanol en mélange : - évaporation - séparation des phases Mais… disponibilité en isobutène limitée en raffinerie et bilan CO2 moins favorable Incorporer l’éthanol à une essence à volatilité réduite

Les carburants alternatifs d’aujourd’hui Les biocarburants

Les carburants alternatifs d’aujourd’hui Les biocarburants 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 l’environnement (local et global) en comparaison avec la combustion de gazole - diminution des émissions d’HC et de particules - bilan CO2 favorable

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

Les carburants alternatifs d’aujourd’hui Les biocarburants Principale limite : la compétition avec l’alimentaire Exemple en France Aujourd’hui 2010 (5,75%) Éthanol EMHV Surface (ha) Qté produite (t) Éthanol EMHV Surface (ha) Qté produite (t) ? Betterave Blé Betterave Blé 12 000 60 000 53 600 300 000 14 400 36 000 270 000 700 000 Oléagineux 280 000 357 000 Oléagineux 1 900 000 2 400 000

Les carburants alternatifs d’aujourd’hui Les biocarburants Principale limite des volumes importants de co-produits à valoriser Ordre de grandeur des volumes de co-produits générés par filières : Marché de valorisation des co-produits Éthanol 0,75 t. de pulpes/t. d’éthanol ex-betterave 1,2 t. de drèches/t. d ’éthanol ex-blé EMHV 1 à 1,5 t. de tourteaux/t. d’EMHV 0,1 t. de glycérine/t. d’EMHV Alimentation animale Alimentation animale Alimentation animale Alimentation, cosmétique, etc.

Les carburants alternatifs d’aujourd’hui Les carburants gazeux Avantages : Diversification de l’offre carburant dans le secteur des transports Gain environnemental par rapport aux solutions conventionnelles (positif ou nul sur les aspects pollutions locales et positif d’un point de vue effet de serre ~ 10% pour le GPL et 25 à 30% pour le GNV) Inconvénients : Nécessité du développement d’une infrastructure de distribution et d’une adaptation des véhicules Ressources fossiles limitées

Les carburants alternatifs de demain Les biocarburants

Les carburants alternatifs de demain Les biocarburants Les propriétés des produits • • 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 d’optimisation du couple moteur/gazole pour atteindre de très bas niveaux de rejets de CO2

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

Les carburants alternatifs de demain Les carburants de synthèse Le GTL CO + 2H2 -CH2- GN Essence Kérosène Gazole Préparation du gaz de synthèse Synthèse Fischer -Tropsch Hydrocraquage Il faut raisonner sur le couple carburant/moteur. Jusqu ’à il y a peu de temps: carburants propres sont les carburants alternatifs et les carburants sales sont les carburants conventionnels. Ca change ! Le couple carburant/moteur conventionnel s ’améliore Les carburants alternatifs n ’ont pas de réseau de distribution suffisant. De nouveaux moteurs classiques (SIDI et CIDI inj. Direct), de nouvelles normes sur les carburants (plus de Pb dans les essences, teneur en Soufre max en forte baisse), post traitement (filtre à particules, pot catalytique). Moteurs alt : HCCI : évol moteur diesel ; CAI : evol. Mot. Essence. Batterie : véhicule électrique. H2O, O2

Les carburants alternatifs de demain Les carburants de synthèse Le CTL Charbon solubilisé -CH2- Voie directe Preparation du mélange Traitement et raffinage Hydrogénation Essence Kérosène Gazole H2 Charbon CO + 2H2 Il faut raisonner sur le couple carburant/moteur. Jusqu ’à il y a peu de temps: carburants propres sont les carburants alternatifs et les carburants sales sont les carburants conventionnels. Ca change ! Le couple carburant/moteur conventionnel s ’améliore Les carburants alternatifs n ’ont pas de réseau de distribution suffisant. De nouveaux moteurs classiques (SIDI et CIDI inj. Direct), de nouvelles normes sur les carburants (plus de Pb dans les essences, teneur en Soufre max en forte baisse), post traitement (filtre à particules, pot catalytique). Moteurs alt : HCCI : évol moteur diesel ; CAI : evol. Mot. Essence. Batterie : véhicule électrique. -CH2- Préparation du gaz de synthèse Synthèse Fischer -Tropsch Hydrocraquage Voie indirecte H2O, O2

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

Les carburants alternatifs de demain L’hydrogène PRODUCTION STOCKAGE/DISTRIBUTION CONVERSION/UTILISATION COMBUSTION PAR REFORMAGE Combustibles Fossiles CHAUDIERES Charbon Pétrole Gaz naturel THERMIQUE HYDROCARBONES HYDROGENE Liquéfié Sous pression Hydrures Carbones Microbilles … Produits issus de Biomasse MOTEURS Alcools Biogaz (CH4, H2, CO,) MECANIQUE DECOMPOSITION PHOTOBIOLOGIQUE FORME D’ENERGIE TURBINES PAR ELECTROLYSE Alcaline Haute pression Haute température Electrolyte polymère solide Photoélectrochimique ELECTROCHIMIE EAU ELECTRIQUE FUEL CELLS PEMFC SOFC PAR CRAQUAGE THERMOCHIMIQUE

Les carburants alternatifs de demain La nécessité d’une approche globale pour aborder correctement la problématique « effet de serre » La démarche du « puits à la roue » prend en compte l’ensemble des étapes du cycle de production des carburants de l’extraction des matières premières à l’utilisation du carburant dans l’automobile

Les carburants alternatifs de demain Bilan comparatif du « puit à la roue » 200 PAC+H2 liquéfié ex électricité EU-mix PAC+H2 comprimé ex- PAC+H2 comprimé ex-charbon centralisé PAC reformeur+essence GN centralisé PAC+H2 comprimé ex GN sur site électricité Nuc. comprimée ex bois électricité éolien MCI+GTL MCI Hybride+GTL MCI+DME MCI Hybride +DME MCI+BTL MCI Hybride+BTL MCI+Essence MCI+Gazole MCI hybride+essence MCI Hybride+gazole 150 Gr CO2 éq./km MCI Hybride+GN MCI+Ethanol MCI Hybride+Ethanol MCI+Diester MCI Hybride+Diester MCI+GN 100 Les principaux résultats de ces études sont Filières conventionnelles : - entre 160 et 200 Gr de GES/km avec consommation d’nrj de l ’ordre de 7 à 8 l/100 km (WtW). Possibilité de réduction jusqu ’à 140 g de GES/KM avec hybridation Carburants alternatifs : 1. GNC : peut offrir des réduction de près de 50% des émissions de GES par rapport à la référence essence d ’aujourd ’hui si hybridation (Rapport C/H). Mais mise en œuvre nécessite de faire attention à : - fuite de gaz (coefficient 20 GES du méthane) - origine du gaz (imports GNL?) 2. Biocarburants : Gains GES important (de l ’ordre de 50 à 60% par rapport à la référence Essence) mais conso d ’énergie importante. De plus potentiel limité (surface et rendement). Reste que solution intéressante du fait de la possibilité d ’utilisation en mélange (pas nécessaire de développer un réseau et des moteurs dédiés). 3. Hydrogène 1. La liquéfaction pénalise la filière 2. Les filières électrolytique issues d ’un mix européen n ’offre pas d ’intérêt 3. Le filière électrolytique ex-nuclèaire est bonne en CO2 mais parmis les plus mauvaise options en conso d ’nrj (réserve d ’uranium ?) 4. Les options biomasse et éolien offrent les meilleurs résultats mais les volumes d ’H2 productible sont limités 5. La meilleure options est celle utilisant le GN 6. option charbon nécessite capture et séquestration 7. l ’option PAC+reformeur n ’offre pas d ’avantage par rapport aux solutions conventionnelles 50 2 4 6 8 10 12 14 16 18 L éq. essence/100 km Source : JRC/EUCAR/CONCAWE, Janvier 2004

Les carburants alternatifs de demain L’hydrogène Coût de la filière hydrogène : la filière hydrogène comprimé ($/GJ)

Les carburants alternatifs de demain L’hydrogène Avec des hypothèses de production de masse, le DOE annonce des valeurs comprises entre 200 et 500 $/kg d’H2. L’objectif est d’arrivé à 66 $/kg en 2015. $/kg d’H2 Source : Dynetek

Source : Directed Technologies Les carburants alternatifs de demain L’hydrogène ? Source : Directed Technologies

Les carburants alternatifs de demain L’hydrogène Évolution de la demande mondiale de platine avec une réduction à 0,2 g/kw (/5 à 10 par rapport à aujourd’hui) du contenu en platine des PAC Source : TIAX, Décembre 2003

Les optimistes : Chevrontexaco

Les optimistes : Chevrontexaco

Les pessimistes :Exxonmobil

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

Quel avenir énergétique dans les transports ? Comparaison pour un véhicule de 75 kw d’une autonomie de 600 km Masse kg Stockage d’énergie Convertisseur Total MCI : 45 170 215 H2+PAC+Moteur : 60 273 343 Batterie avancée + Moteur : 383 73 456 Incertitude due à la faisabilité technique au coût de production finalement réalisé aux incitations diverses liées aux normes et au marché Source IFP & EUCAR/JRC/CONCAWE 2004

L’industrie existante Production 20’000 G.SCF = 535 G.Nm3 = 48 M.tH2 = 138 M.TEP 109 SCF Production H2 Ammoniaque Raffinage Méthanol Autres Production Captive Pipeline En bouteille/liquide Marchande

L’industrie existante Production Économie Les coûts de production de l’H2 * Prix de l’électricité constaté en juillet 2002

L’industrie existante Les différents modes de distribution Source : Air Liquide

L’industrie existante Environ 2500 + km de pipelines dans le monde Source : Air Liquide

L’industrie existante Environ 2500 + km de pipelines dans le monde Source : Air Liquide

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

Les nouveaux challenges Les piles à combustibles Pile PEMFC alimentée en H2 : description du fonctionnement Les nouveaux challenges

Les nouveaux challenges Stockage/distribution : arriver à stocker à un moindre coût l’hydrogène 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

Les nouveaux challenges Stockage/distribution : arriver à stocker à un moindre coût l’hydrogène Molécule très énergétique: 120 MJ/kg contre 50 MJ/kg pour CH4 toutefois énergie volumique 3.5 fois plus faible Solide Liquide Gazeux

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

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

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