Les biocarburants Perspectives de développement Philippe Pouech – ENSAT 2007 Perspectives de développement Intérêts environnementaux Enjeux économiques

Sommaire Quelques données de base Politiques communautaire et française & Niveau de développement des biocarburants Filières de production de biocarburants 1ière génération & perspectives technologiques Bilans énergétiques et Émissions de GES des filières de production de biocarburants Production de biocarburants et enjeux agricoles

Quelques données de base

Biomasse – Bioénergie - Biocarburant Biomasse : Dans le domaine de l'énergie, la biomasse regroupe l'ensemble des matières organiques pouvant devenir des sources d'énergie : productions végétales, sous-produits provenant de l’agriculture, cultures énergétiques dédiées, production sylvicole, des déchets industriels et municipaux Bioénergie : ensemble des valorisations énergétiques possibles de la biomasse : combustible chaleur (ex. le bois énergie), électricité (ex. le biogaz issus des effluents d’élevages), carburant (ex. l’ester de colza) Biocarburant : Un combustible liquide ou gazeux utilisé pour le transport et produit à partir de la biomasse [agrocarburant = biocarburant issu de cultures agricoles]

Biomasse = source d’énergie renouvelable CO2 Énergie solaire Eau Minéraux Végétal = biomasse Photosynthèse La biomasse est le résultat d’un formidable processus : la photosynthèse qui se réalise dans une usine très complexe la plante. Ainsi à partir du gaz carbonique puisé dans l’atmosphère, de l’eau et des éléments minéraux puisés dans le sol et de l’énergie apportée par le soleil, le végétal synthétise de nombreuses molécules notamment de l’amidon, de la cellulose, des protéines et des matières grasses. Toutes ces molécules en se formant ont emmagasiné de l’énergie. La biomasse est donc une forme de stockage de l’énergie solaire. Une énergie renouvelable annuellement avec les productions agricoles une source d’énergie renouvelable après quelques années quand il s’agit des productions forestières. La biomasse agricole est une forme de stockage de l’énergie solaire sous forme d’amidon, de cellulose, de protéines, de matières grasses donc une énergie renouvelable « rapidement »

Les voies de valorisation non alimentaire de la biomasse Sources :° INRA, 2006, http://www.inra.fr/esr/ La chimie verte, éditions Lavoisier, Tec& doc, 2006,532p.

Biomasse pour les bioénergies biocarburant [Source ADEME]

Développement des bioénergies Objectifs ambitieux de l’UE

Enjeux énergétiques & gaz à effet de serre Balance énergétique: consommation 276 Mtep production 138 Mtep 30% des importations pour les besoins de transports routiers Importation énergie [50 %, 138 Mtep] Part des émissions par secteur - Année 2004 transports Pétrole à 99% 71% gazole [29Mt] 29% essence [12Mt] Biocarburant ≈ 1% Source MINEFI 2005 Entre parenthèses l’évolution depuis 1990 [Source CITEPA 2005]

Consommation de carburants routiers Année 2004 Source MINEFI 2005 Consommation total de carburants routiers : 42 Millions de tonnes dont 29 Mt de Gazole et 12 Mt d’essence Production de biocarburants biodiesel et éthanol/ETBE : 435.000 t (0,7%) Plan biocarburant 2008 : 1.500.000 t et 2010 : 2,5 millions de tonnes (5,75%)

Enjeux des biocarburants Les biocarburants sont : Des débouchés non alimentaires pour la production agricole Des produits de substitution des carburants pétroliers Des possibilités de valoriser des déchets avec un produit à haute valeur ajoutée (biogazbioGNV) Les biocarburants font partie : De la stratégie européenne d’approvisionnement énergétique (Livre blanc de l’UE) Des axes de développement pour la lutte contre les gaz à effet de serre (Protocole de Kyoto) De la stratégie nationale du développement de carburants de substitution (Plan Climat, Plan Biocarburant)

Politique de l’Union Européenne & Développement des biocarburants dans le monde

Orientations de l’Europe Deux directives adoptées en 2003 Directive « promotion » 2003/30/CE : fixe pour les états de l’U.E des objectifs d’incorporation de biocarburants dans carburants pour transports : 2 % au 31 décembre 2005 5,75 % en 2010 Directive « fiscale » 2003/96/CE : permet aux états de l’U.E d’appliquer, sous contrôle fiscal, des réductions de taxes en faveur des biocarburants Feuille de route UE 10 janvier 2007 : 10% d’ici 2020

Orientations de la France Loi d’orientation sur les énergies : augmentation de la part des Énergies Renouvelables Plan climat : économiser 52 millions de teCO2 /an jusqu’en 2010 Plan Biocarburants : Réduction en 2010 de 7MteCO2 comptabilisées dans le secteur des transports Avancée du calendrier biocarburant (5,75% en 2008; 7% en 2010; 10% en 2015) Évolution des normes sur le gazole et l’essence, demande de révision au niveau européen Le développement de l’incorporation directe d’éthanol dans l’essence Soutien au développement de nouveaux biocarburants Soutien au flex-fuel/ E85 dès 2006 à titre expérimental Maintien d’une défiscalisation incitative, et d’une TGAP dissuasive qui ne doit pas peser sur le consommateur Loi d’Orientation Agricole: usage des huiles végétales pures limité au carburant agricole, pêche, flottes captives à titre expérimental

Mécanismes incitatifs A l’échelle européenne Politique Agricole Communes : Jachère énergétique (10% de la surface agricole utile) Contrat « cultures énergétiques) Défiscalisation des biocarburants Adaptation de la TIC (Taxe Intérieure à la Consommation) Agréments de production , volumes limités TGAP sur tous les produits pétroliers Vendus sans biocarburant Grille d’exonération (5.75% en 2010) Vers la création d’un marché A l’échelle nationale

Analyse économique des biocarburants Structuration des prix des biocarburants [Sources : Rapport Conseil Général des Mines – septembre 2005 & données APESA] Du coût social des biocarburants [D’après Sourie et al., INRA-INAPG, 2006]

Simulation juin 2005 (ct€/l) Système TGAP TGAP « Taxe Générale sur les Activités Polluantes » sur tous les produits pétroliers vendus sans biocarburant - Loi de finance 2005 article 32 Montant variable révisable tous les quadrimestres. Valeur juin 2005 : 74 €/hl de gazole ; 86 €/hl d’essence Réduction de la taxe en fonction du taux PCI d’incorporation de biocarburant Simulation juin 2005 (ct€/l)

Production mondiale de biocarburants Année 2004 Australie : 2% de consommation de biocarburants en 2010 Chine : commercialisation éthanol en mélange depuis 2001 Inde : refus pour un plan biocarburant « huile » Indonésie, Malaisie, Thaïlande : projets

Production de biocarburants dans les États membres de l’UE [2003-2005] Part des biocarburants en 2003 (%) Part des biocarburants en 2005 (%) Objectif indicatif national 2005 (%) Belgique 0.00 0.00 2.50 Danemark 0.00 no data 0.10 Allemagne 1.21 3.75 2.00 Espagne 0.35 0.44 2.00 France 0.67 0.97 2.00 Italie 0.50 0.51 1.00 Autriche 0.06 0.93 2.50 Pologne 0.49 0.48 0.50 Suède 1.32 2.28 3.00 Royaume-Uni 0.026 0.18 0.19 Total UE-25 0.5 1.0 1.4 [Source : EU, rapports nationaux élaborés en application de la directive sur les biocarburants]

Sites de production de biocarburants Dunkerque 65000 t En 2010 : 21 usines supplémentaires 6 usines bioéthanol 15 usines biodiesel Gonfreville 70000 t Feyzin 84000 t Usines d’ETBE existantes Fos /mer 200000 t Usines d’éthanol en projets

Les filières de production de biocarburants de 1ière génération & Perspectives technologiques

Biocarburants de 1ière génération Céréales Saccharifères Betterave, blé, pomme de terre, maïs, canne à sucre Essence Éthanol et dérivés ETBE Huiles végétales Pures HVP Oléagineux Résidus lipidiques Gazole Tournesol, colza, palme, huiles usagées, graisses Huiles estérifiées EMHV Biomasse fermentescible Essence & Gazole Fermentation anaérobie Biogaz Méthane BioGNV Définition des biocarb Carburant synthétisé à partir de biomasse, substitution partielle ou totale des carburants d ’origine fossile Grande impulsion suite à la réforme de la PAC en 1992 : (remplacement système de soutien des prix par aides directes aux producteurs, instauration d ’un gel des terres) par la suite conséquences :substitution partielle - pas de modification du moteur 2 grandes voies développées en France : filières développées à échelles industrielles prod d’ester méthylique à partir d ’huile de colza : mélange avec gasoil ou fuel domestique colza: surface qq chiffres … 2 tx d ’incorporation : 5% en mélange à la pompe et fuel domestique et jusqu ’à 30% certaines flottes captives (club des villes diester) - 7 raff / 13 en incorporent - 1voitures diesel sur 2 roule avec du diester surface en colza diester prod d ’Ethyl Tertio Butyl Ether fabriqué à partir d ’éthanol de blé ou de betterave : mélange avec super sans pb qq chiffres… betteraves 70% de la prod française d ’etoh blé : 30% existence d ’autres filières plus marginales : filière huile brute colza-tournesol

Filière bioéthanol Production : 70% betterave, 30% blé Drêches Alimentation animale Centrifugation Distillation Isobutylène Synthèse et purification de l’ETBE [Source IFP] CH3 CH3CH2-O- C CH3 Depuis 10 ans la consommation de gazole en Europe n’a cessé de croître (+2.5%/an) tandis que la consommation d’essence chutait (-1.5%). Du fait de la diésélisation du parc automobile se sont 22 millions de tonnes de gazole qui ont été importées en 2002 et 20 millions de tonnes d’essence qui ont été exportées. De ce fait l’offre de biodiesel ne pénalise pas les outils de raffinage pétrolier nationaux puisqu’il se substitue à des volumes d’importations par contre l’utilisation d’éthanol ou d’ETBE participe aux excédents d’essence. L’intérêt de l’ETBE va se situer au niveau de l’amélioration des composants de l’essence tout en permettant le recyclage d’un produit chimique gênant l’isobutylène. ETBE = composé oxygénén issu de la réaction à peu près égales de l’éthanol et de l’isobutylène L’incorporation se fait généralement dans les raffineries Incorporé à l’essence l’ETBE permet de diminuer les émissions de monoxyde de carbone (CO) et d’hydrocarbures imbrûlés. Il permet également la diminution de l’incorporation de composés aromatiques dans l’essence. L’incorporation directe du bioéthanol demande des précautions en raison de deux caractéristiques physiques liées aux interférences du produit avec l’essence ou avec l’eau: incorporé à faible dose l’éthanol augmente de façon très significative la volatilité de l’essence (caractérisée par la notion de tension de vapeur) le seuil est réglementé par l’Europe pour des raisons sanitaires et environnementales (la tension de vapeur doit être comprise entre 60 et 90 kPascal). Pour être incorporé sans difficulté l’éthanol demande une base essence avec une tension de vapeur faible. l’affinité de l’éthanol pour l’eau est importante ce qui peut créer des problèmes au stockage et à la distribution Le taux d’incorporation de l’éthanol pur est fixé par arrêté : Arrêté du 23 décembre 1999 relatif aux caractéristiques du supercarburant sans plomb Production : 70% betterave, 30% blé Dérivé oxygéné ETBE : Ethyl Tertio Butyl Ether Environ 85% de l’éthanol est transformé en ETBE Productivité : blé 2,55 T/Ha éthanol ; betterave 5,78 T/Ha éthanol

Caractéristiques du bioéthanol Niveau énergétique: 1,5 litres de bioéthanol = 1 litre d’essence L’ETBE n’est pas un biocarburant ; c’est un produit mixte pour l’ETBE: l’éthanol rentre pour 47% en volume dans la composition Incorporation jusqu’à 15% dans l’essence pour l’ETBE Incorporation du bioéthanol avec bases essence à faible volatilité (max5%) Développement à partir de fin 2006 de l’E85 (VCM ou flexfuel, réseau distribution)

E85 : > 600 points de vente en 2007 Source http://www.prix-carburants.gouv.fr/

Les géants de l’éthanol 1er producteur mondial Technologie « flex-fuel vehicles » 320 sites de production, incitations fiscales Export d’éthanol: Japon, USA, UE 2004 : développement du biodiesel Important soutien à la filière 4% en 2010, 20% en 2030

Production d’éthanol et d’ETBE Unités de production ayant reçu un agrément suite à appel d’offre communautaire –source DGEMP/DIREM sept 2007

Filière huile estérifiée Trituration Filtration Dégommage, décirage Colza Tournesol oléïque Tourteaux Alimentation animale Méthanol [Source IFP] O  CH3(CH2)16 –C– OCH3 Diester® : contraction de Diesel et Ester, marque déposée par SOFIPROTEOL 85% colza, 15% autres (tournesol, lin, soja) EMVH : Ester Méthylique d’Huile Végétale Obtenu par transestérification de l’huile de colza ou de tournesol oléique Rendement colza : 35 q/Ha à 40% d’huile; 1,4 T/Ha d’huile Productivité : 1,4 T/Ha EMHV (colza) ; 1,96 T/Ha tourteaux La Diester a été lancée initialement en France par la filière huiles et protéines végétales Diester = contraction de diesel et ester Genèse industrielle: initialement l’IFP a développé en 1981 un procédé de transformation de l’huile. En parallèle au début des années 1980 l’évolution de la PAC et les négociations internationales sur la GATT ont poussé la filière oléagineuse française (Proléa) a trouver une diversification à ses débouchés. En 1985 un programme de R&D est lancé avec le soutien des pouvoirs publics, en 1988 production des premiers litres d’ester et expérimentations sur les flottes de véhicules, 1991 homologation du diester à 5% dans le gazole et défiscalisation, 1993 1ère année de production du colza-diester sur jachère avec 35.000 ha; en 2004 environ 300.000ha. Un filière organisée, 4 organismes autour de la structure Proléa: la FOP (fédération des producteurs d’oléagineux et protéagineux) le cetiom, l’onidol (interpro des oléagineux) et sofiproteol (établissement financier de la filière française des huiles et protéines végétales) EMVH ou biodiesel (en europe) a des carcatéristiques très proche du gazole

Caractéristiques de l’EMHV au niveau énergétique: 1,14 litres d’EMHV = 1 litre de gazole propriétés physico-chimiques très proches du gazole Incorporation à 5% dans le gazole Incorporation à 30% au niveau flottes captives collectivités et industries (B30)

Source : http://www.diester.fr/

Production de biodiesel Unités de production ayant reçu un agrément suite à appel d’offre communautaire –source DGEMP/DIREM sept 2007 Jaune : démarrage 2008 – Vert : démarrage 2009 - Bleu : démarrage 2010

Filière Huile Végétale Pure cultures d’oléagineux Tournesol Colza Tourteaux Huile Carburant Combustible Lubrifiant Alimentation animale Protéine Riche en matière grasse (énergie) Combustible  Trituration Décantation/filtration Principales caractéristiques au niveau énergétique: 1 litre d’HVP ≈ 1 litre de gazole propriétés physico-chimiques éloignées du gazole, pb adaptations moteurs, besoin d’un cahier des charges Incorporation jusqu’à 50% dans le gazole ou utilisation à 100% Avantages pour les agriculteurs Autorisation comme carburant agricole (+flottes captives à titre expérimental), défiscalisation de la TIC Maîtrise de la filière (produit, coût,…), autoconsommation et vente Autonomie énergétique; partie intégrante d’une production de qualité Intérêt pour le développement local Intégration dans une politique de développement intégrée, approche territoriale Filière courte : retours indirects au niveau local Maintien d’emplois en milieu agricole et rural

Unité de méthanisation Filière BioGNV Effluents agricoles Biodéchets Cultures dédiées Unité de méthanisation Digestat Biogaz Épandage Épuration Séchage Compression Stockage Distribution Méthanisation de biomasse fermentescible (ressource importante et variée) Épuration du biogaz : élimination CO2, composés soufrés, eau BioGNV : CH4 à 99%, comprimé à environ 200 bars Productivité : 200 à 450 m3 de méthane/ tonne matière sèche Au niveau énergétique: 1 litres de BioGNV ≈ 1 litre d’essence Utilisation au niveau de moteurs adaptés et équipement de stockage

Perspectives technologiques Avant 2010 Esters d’huiles végétales utilisant de l’éthanol (EEHV) Esters éthyliques d’acides organiques issus de la biomasse (procédé Shell) Hydrogénation des graisses et des huiles (NExBTL- projet Total/Neste Oil) Après 2010 Biocarburant de 2ième génération [Source IFP]

Conversion de la biomasse lignocellulosique Source ADEME, 2006

Biocarburant de 2ième génération : BTL (Biomass To Liquid) Biomasse Gaz naturel Charbon Pyrolyse – Gazéification Gaz de synthèse CO + H2 Synthèse Fisher-Tropsch Hydrocarbures Cires Gazéification : Biomasse + O2/H2O  xCO + yH2 + zCO2 Synthèse : CO + 2H2  -(CH2)- + H2O

Raffinerie de biomasse (G) Source IFP

Production d’éthanol à partir de biomasse lignocellulosique Source IFP, 2006

Bilan énergétique et Émissions de GES des filières de production de biocarburants Production de biocarburants et surfaces agricoles

Les principales études disponibles Une dizaine d’études disponibles aux résultats très différents D’une manière générale : bilan favorable aux biocarburants Méthode ACV : Analyse Cycle de Vie, «du puits à la roue »

La controverse sur les bilans énergétiques et gaz à effet de serre Écarts méthodologiques: Prise en compte des co-produits Allocation des émissions Polémique d’experts entre : l’allocation massique (la plus simple) et l’évaluation des impacts évités (la plus juste) Disponibilités et incertitudes sur les données Études les plus citées : ADEME/DIREM 2003 : bilan énergétique et gaz à effet de serre des filières de production de biocarburants. Ecobilan PricewaterhaouseCoopers, novembre 2002, 132p. CONCAWE et als: Well-to-Wheels, Analysis of future automotive fuels and powertrains in the european context, décembre 2005, 88p. SADONES.P, 2006: les agrocarburants. Synthèse des travaux d’EDEN, www.espoir-rural.fr

Bilan énergétique Indicateur du bilan énergétique Energie restituée Energie non renouvelable mobilisée

Indicateur énergétique filière éthanol d’après l’étude ADEME/DIREM Énergie restituée Indicateur Énergétique = Énergie non renouvelable mobilisée [Source : ADEME/DIREM 2003]

Indicateur énergétique filière huile végétale d’après l’étude ADEME/DIREM Énergie restituée Indicateur Énergétique = Énergie non renouvelable mobilisée [Source : ADEME/DIREM 2003]

Bilan gaz à effet de serre Indicateur du bilan gaz à effet de serre Calcul des émissions à effet potentiel GES à 100 ans à partir des coefficients équivalent CO2

Bilan GES de la production des matières premières

Indicateur bilan gaz à effet de serre Filière éthanol d’après l’étude ADEME/DIREM [Source : ADEME/DIREM 2003] [Source : ADEME/DIREM 2003]

Indicateur bilan gaz à effet de serre Filière huile végétale d’après l’étude ADEME/DIREM  5,3  3,3 [Source : ADEME/DIREM 2003]

Comparatif des résultats du bilan gaz à effet de serre entre deux études d’ACV [Source : Stéphane Hiss in Global Chance, avril 2007, n°23, p 21-22] Mêmes tendances favorables aux biocarburants Écarts importants sur l’éthanol ex-blé et ex-betterave Intérêt des biocarburants de 2ième génération

Production de biocarburants & Enjeux agricoles Production de biocarburants et surfaces agricoles

Objectifs de production de biocarburants Les objectifs de la France pour répondre aux attentes de l’Union Européenne Objectifs européen de substitution des carburants 2010 2020 Taux de substitution (en equivalent énergétique) 5,75% 10% Productions associées de biocarburants en tonne en Mtep essence 8 500 000 5,10 9 389 300 5,63 bioéthanol 786 483 0,47 1 510 898 0,91 gazole 37 400 000 31,33 41 312 867 34,61 biodiesel 2 467 812 2,07 4 740 869 3,97

Les besoins au niveau de la France Production de carburants verts et besoins en surfaces agricoles [avec les technologies actuelles] Les besoins au niveau de la France

Quels impacts sur les surfaces agricoles au niveau de la France ? Filière bioéthanol Besoins en surfaces en 2010 : 220 000 ha Surfaces emblavées (2005) : Toutes céréales (y compris maïs) : 9,15 Mha Betteraves industrielles : 379 516 ha Enjeu sur les superficies agricoles de moindre importance que la filière EMHV Filière biodiesel Besoins en surfaces en 2010 : 1 900 000 ha Colza alimentaire : 1,23 Mha Colza énergétique : 402 508 ha (50% jachère/50% ACE) Enjeu important et arbitrage nécessaire pour garantir l’extension des cultures de colza à des fins énergétiques

Affectations prévisionnelles des terres françaises en grandes cultures Sources : B.Risoud, ingénieries, mars 2007, N°49, p 39 à 47 ; H.Guyomard et al., Prospective « Agriculture 2013 », INRA, 2007

Zoom sur le cas du colza énergétique à l’échelle française Superficies nécessaires  enjeux de 2010 : 1,9 Mha Demande une augmentation de 1,1 Mha (par rapport à 2006) Terres en jachère mobilisables : 430.000 ha (aide EU jachère indus.) Terres arables à détourner : 700.000 ha à prendre sur les surfaces mises en cultures alimentaires Conditions de réussite Rémunérations favorables aux cultures énergétiques (en plus des aides Gel et ACE) Augmentation de la vitesse de rotation dans l’assolement (une rotation tous les trois ans) Accompagnement différencié des régions selon : potentiel agronomique des sols, pratiques habituelles, niveau technique… Impacts sur le solde du commerce extérieur  Importation tourteaux de soja (protéines végétales, aliments animaux)  Exportation des graines de colza (Allemagne et Belgique huile ester)  Exportation huile de colza (Allemagne  biodiesel)

Compétition entre cultures alimentaires et énergétiques…conséquences mondiales… Quelques éléments de réflexion… La compétition 4F : Food, Feed, Fiber, Fuel Les surfaces en terres arables sont limitées Réponse aux besoins des biocarburants se fera en partie sur les surfaces de production alimentaire Rareté énergétique  rareté alimentaire Augmentation des matières premières :  agriculteurs (??), - populations pauvres urbaines et sous-alimentées,  compétitivité des biocarburants Des problématiques et impacts divers : Exple de l’Ethanol:  cours mondiaux maïs: pb alimentaire sous jacent (Cuba)  surface canne à sucre: pb de déforestation, biodiversité (Brésil) Exple de l’Ester : pb de surface oléagineuse, importation huile de palme, opposition de l’Inde à la filière biocarburant huile=friture/aliment/santé ( Malaisie, Indonésie) Des besoins de régulation des échanges, négociations à l’OMC ? Des difficultés pour résoudre l’équation entre les besoins en biocarburant et les capacités de production: Quel niveau d’urgence à atteindre les objectifs ambitieux de l’UE? Quelle prise en compte des progrès technologiques : biocarburant 2ième génération, nouvelles motorisations…? Quelle place pour le développement de nouvelles cultures énergétiques: miscanthus, sorgho sucrier, switch grass, TTCR…?

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