p149 pdf  GuidEnR > Les voies de progrès technologique par types de carburants alternatifs  
LE BLOG GUIDENR
Conseils pratiques

 

 Actualités :  


LES CLES DU DIMENSIONNEMENT

Ouvrages en commande
Photovoltaïque autonome

Photovoltaïque raccordé au réseau




Les voies de progrès technologique par types de carburants alternatifs


La première génération de biocarburants


=> La filière huile
Il existe deux principales filières de conversion de la biomasse en biocarburant selon la biomasse employée : la filière huile qui produit du biodiesel et la filière sucre qui produit de l’éthanol. Toutes deux sont industriellement matures et commercialisées.



Concernant la filière huile, deux procédés de conversion sont usuellement employés :
  • la transestérification : ce procédé consiste à faire réagir un corps gras (les triglycérides contenus dans les huiles) avec un alcool (méthanol ou éthanol) pour obtenir un ester d’acide gras. En France, c’est principalement l’huile de colza qui est utilisée (avec une faible part d’huile de tournesol) et ce sont essentiellement des esters méthyliques d’acide gras (EMAG) qui sont fabriqués ;
  • l’hydrogénation : les huiles végétales ou les graisses animales sont hydrogénées (traitement à l’hydrogène). L’hydrogénation peut/doit être suivie d’une hydroisomérisation.
La filière huile peut encore se développer par l’optimisation de la transestérification avec l’éthanol (Ester éthylique d’acide gras - EEAG). Cette réaction est encore peu développée car elle présente des contraintes techniques de production, mais il s’agit d’un procédé innovant qui offre des débouchés pour le bioéthanol dans la filière gazole. Le bilan économique de la filière peut en outre être amélioré par la valorisation du glycérol généré lors de la transestérification, notamment en chimie du végétal.

À noter, par ailleurs, que les procédés industriels d’hydrogénation sont disponibles et qu’il existe aujourd’hui une unité de production de biogazole de synthèse par des investissements importants. À capacité équivalente, ce type d’installation s’avère plus onéreux qu’une unité de production d’EMAG. L’hydrogénation des huiles végétales présente toutefois un avantage, puisqu’elle accroît le PCI d’environ 20 % (PCI final de 44 MJ/kg), ce qui permet à ce biocarburant d’être considéré comme une alternative prometteuse au gazole mais aussi au jet fuel d’origine fossile.

=> La filière sucre
La filière sucre est basée sur un procédé de conversion par fermentation. Le glucose ou le saccharose est transformé en alcool qui est ensuite distillé et déshydraté pour obtenir du bioéthanol. Le bioéthanol consommé dans les carburants français est issu, en quasi-totalité, des productions agricoles nationales (betterave à sucre et céréales).

La synthèse de l’ETBE est très proche de celle du MTBE (produit d’origine pétrolière utilisé pour améliorer l’indice d’octane des essences). De ce fait, les unités de production de MTBE peuvent être transformées pour la production d’ETBE grâce à des investissements faibles (réalisés par Total dans les années 1990). L’usine Lyondell de Fos-sur-Mer présente aussi un fort potentiel de production (750 000 tonnes d’ETBE).

La deuxième génération de biocarburants


La ressource primaire peut suivre les voies biochimiques ou thermochimiques pour être convertie en biocarburant liquide ou gazeux :
  • la voie biochimique est identique à celle de la première génération de la filière sucre, à l’exception de la préparation de la biomasse lorsqu’elle est lignocellulosique, qui représente un verrou technologique important. Ce type de biomasse est en effet constitué de cellulose, d’hémicellulose et de lignine. Or, seules la cellulose et l’hémicellulose sont valorisables en biocarburant. Une étape de prétraitement chimique, physique ou biologique de la biomasse est donc nécessaire afin de rendre ces dernières plus accessibles et faciliter l’étape suivante d’hydrolyse. À noter toutefois qu’il est plus facile d’obtenir du sucre à partir de l’hydrolyse de la cellulose que de celle de l’hémicellulose ;
  • la voie thermochimique consiste, dans la plupart des cas, en un prétraitement de la biomasse puis en sa gazéification. Le gaz de synthèse obtenu appelé « syngaz » est ensuite converti en carburant par synthèse Fisher-Tropsch. Le procédé est en général orienté vers la production de diesel (« gazole-FT ») et de kérosène (« kérosène-FT »). Ce dernier présente un PCI particulièrement intéressant (environ 44 MJ/kg), notamment pour l’aéronautique.
L’objectif de la plupart des recherches en cours est d’accéder à des produits aux bilans énergétiques, massiques, environnementaux et aux rendements surfaciques améliorés. Les recherches font appel à la fois à des technologies conventionnelles, à des technologies de rupture et à leur intégration.

=> Concernant la voie biochimique
Les performances de déstructuration maîtrisée de la biomasse lignocellulosique (déstructuration des lignocelluloses en lignine, hémicellulose et cellulose pour faciliter l’accès aux enzymes hydrolytiques) sont actuellement très limitées. Les biotechnologies vertes, notamment les organismes génétiquement modifiés (OGM), pourraient offrir de nouvelles perspectives pour améliorer l’efficacité de cette étape.

L’hydrolyse enzymatique de l’hémicellulose, qui nécessite des enzymes différentes de l’hydrolyse de la cellulose, est encore à l’étude car son rendement actuel est faible.De plus, les sucres (pentoses) qui en découlent sont difficilement fermentescibles. La recherche industrielle française dans le domaine de l’hydrolyse enzymatique est principalement menée dans le cadre du projet FUTUROL. Le déploiement industriel pourrait être une réalité à partir de 2020. Il existe de nombreux projets en Europe et dans le monde.

La production de triglycérides à partir de biomasse lignocellulosique ou de déchets organiques par voie microbienne (notamment levures) est aujourd’hui envisageable sous réserve de développement des biotechnologies blanches. Il s’agit de rechercher de nouveaux micro-organismes et enzymes candidats (exploitation de la biodiversité) et notamment de déployer les outils du génie génétique pour améliorer ou modifier en profondeur les performances (par exemple, modification de voies métaboliques). Ce verrou est important mais les technologies nécessaires existent et les progrès de la biologie synthétique permettent d’envisager des avancées rapides. L’effort français dans ce domaine n’est cependant pas suffisamment structuré.

Enfin, une voie de progrès intéressante est attendue grâce au procédé Sugar to Alkane, qui repose sur la fermentation bactérienne. La société française Global Bioenergies effectue actuellement des recherches dans ce domaine en développant un procédé de production d’isooctane (carburant pour moteur essence) via la production d’isobutène à partir de biomasse de première et deuxième génération. Elle fait notamment appel à la biologie synthétique pour créer une activité enzymatique permettant la conversion de sucres en isobutène.

=> Concernant la voie thermochimique
La qualité physico-chimique de la biomasse étant très variable (densité, granulométrie, humidité, teneur en matières minérales, etc.), le réglage et le contrôle des équipements de combustion ou de gazéification est délicat. Deux options sont alors possibles :
  • adapter la biomasse aux procédés et aux applications visées ;
  • inversement, concevoir des procédés flexibles adaptables à la biomasse. L’ANCRE préconise des méthodes d’analyse et de diagnostics efficaces de l’influence du type de biomasse pour optimiser le réacteur de transformation et les rendements en énergie ou en produits recherchés.
Les marges de progrès sont ensuite essentiellement localisées dans les filières gazéification, pyrolyse rapide et liquéfaction directe de la biomasse. Les recherches effectuées pour la filière gazéification concernent notamment :
  • la préparation du syngaz (purification et ajustement) pour la synthèse Fischer- Tropsch : la composition du syngaz étant dépendante de la biomasse utilisée, ces deux étapes sont primordiales au bon déroulement de la synthèse Fischer- Tropsch. Des travaux sont en cours dans ce domaine, par exemple le projet BioTFueL ou, au CEA, la réalisation de tests sur les différentes solutions allothermique ou auto-thermique de production d’hydrogène nécessaire à l’ajustement du syngaz (projet « SYNDIESE » de Bure-Saudron). La technologie Fischer-Tropsch est en revanche globalement mature ;
  • la fermentation du syngaz par les bactéries : elle se pratique actuellement aux États-Unis. L’entreprise Coskata met au point un procédé innovant par lequel le syngaz est soumis à une fermentation bactérienne qui convertit le CO et/ou le H2 du syngaz en éthanol. L’étape de synthèse Fisher-Tropsch, très consommatrice d’énergie, est ainsi remplacée par une fermentation. Une technologie similaire est développée par une filiale d’Ineos (Ineos New Planet Bioenergy) ;
  • la méthanation catalytique du syngaz : elle consiste à convertir le monoxyde de carbone et l’hydrogène en méthane. C’est le procédé inverse au vaporeformage catalytique. La recherche française est relativement active dans ce domaine : démonstrateur à Lyon piloté par GDF pour la production de méthane ; démonstrateur à Bure et à Lyon pour la production de méthane et de biodiesel ; projet GAYA pour la technologie de méthanation.

Méthanation


CO + 3H2 → CH4 + H2O

Vaporeformage du méthane


CH4 + H2O → CO + 3H2
La pyrolyse rapide de la biomasse produit une huile pyrolytique qui peut être valorisée en carburant via un hydrotraitement. IFP Énergies nouvelles en France ou le VTT en Finlande travaillent actuellement sur les technologies de pyrolyse.

Pour le plus long terme, la liquéfaction directe de la biomasse consiste à mettre en solution la biomasse dans un solvant aqueux ou organique et à jouer sur des paramètres comme la température (optimalité entre 250 et 450 °C), la pression ou encore la présence de catalyseur afin de produire un liquide organique dont les caractéristiques sont proches d’un hydrocarbure. Les recherches n’en sont qu’à leur début. Les Pays-Bas (TNO notamment) développent actuellement des procédés dans cette voie.

=> Synthèse
Portée par la filière éthanol aux États-Unis, la voie biochimique est à un stade de développement plus avancé que la voie thermochimique. Il existe environ 65 usines (pilotes/démonstrateurs en fonctionnement et en cours de mise en service) d’éthanol cellulosique dans le monde pour une capacité de production de 338 millions de litres par an, alors qu’on ne compte que 13 usines de gazole-FT pour une production de 41,6 millions de litres par an. Sur le moyen terme, cet écart demeurera, puisqu’il existe plus de projets d’usines de production d’éthanol cellulosique (environ 60 projets pour une capacité de production potentielle de 5 100 millions de litres par an) que de gazole-FT (13 projets pour une production de 888 millions de litres par an).

Les projets de production d’éthanol cellulosique se situent, pour la plupart, aux États- Unis, puis au Brésil (entreprise Petrobras). En Asie, la capacité de production devrait augmenter significativement ces prochaines années (principalement en Chine, en Thaïlande et au Japon). En Europe, les plus grosses capacités de production se trouvent en Scandinavie et en Espagne. La France compte quelques projets dont FUTUROL.

Les projets de gazole-FT sont en revanche majoritairement localisés en Europe (Choren, en faillite BioLiq, etc.). En France, BioTfueL est le principal projet de démonstration en France pour la chaîne complète de production (depuis la préparation de la biomasse, sa torréfaction, sa gazéification, l’épuration des gaz et la synthèse Fisher-Tropsch). Il permettra de démontrer la production de 200 000 à 300 000 litres de biocarburant par an. Le projet SYNDIESE avec le CEA à Bure- Saudron s’inscrit également dans cette démarche. Les États-Unis ne délaissent pas cette voie malgré leur préférence pour l’éthanol, tirée par la structuration du parc automobile, et des projets de démonstration sont également annoncés : Rentech, GTI (Gas Technology Institute), etc.

La troisième génération de biocarburants


La culture des algues fait l’objet de nombreuses recherches portant principalement sur trois grands types de cultures :
  • culture en autotrophie (apport de lumière, de CO2 et de nutriments). On parle aussi de culture photoautotrophe. Elle peut être pratiquée en système ouvert (lumière naturelle – raceway ou photobioréacteurs) ou fermé (lumière artificielle - photobioréacteurs) ;
  • culture en hétérotrophie : la source d’énergie n’est pas lumineuse mais chimique. Elle est fournie par un substrat carboné. La culture hétérotrophe se fait dans des fermenteurs ;
  • culture en mixotrophie : c’est un mode de culture qui associe les deux types précédemment décrits (par exemple : culture autotrophe avec léger apport de sucre pour augmenter le rendement).
Lorsque l’on cite la troisième génération, c’est en général la filière autotrophe avec apport de CO2 qui est ciblée. Par ailleurs, la filière hétérotrophe est plutôt à considérer comme une filière de deuxième génération dans la mesure où il y a un apport de sucre.

Une fois produite, la biomasse algale doit être récoltée. Différentes façons sont envisageables : par sédimentation gravitaire par différence de masse volumique, par floculation-décantation, par flottation, par centrifugation, par filtration frontale (tamisage, séparation par exclusion de taille), etc. La molécule d’intérêt (lipide en général mais peut être des sucres ou même les cellules algales en tant que telles) est ensuite extraite et transformée en carburant suivant les voies traditionnelles de la première génération, pour les huiles ou les sucres, ou de la deuxième pour les cellules algales. Selon le Livre Turquoise des acteurs des filières algues, un hectare de culture de micro-algues peut théoriquement produire entre 60 et 300 barils d’équivalent pétrole (bep) par an (7 bep pour le colza) – signalons que la valeur haute annoncée est très optimiste. ExxonMobil retient le chiffre d’environ 115 bep par an par hectare.

Enfin, la conversion hydrothermale de la matière algale est aussi un axe de valorisation sous forme de biohuile.

La plupart des recherches menées aujourd’hui visent à produire des lipides en partant du constat qu’en cas de carence en macronutriments, la croissance de l’algue est ralentie et la voie de synthèse des triglycérides (lipides) est favorisée. Il semble cependant difficile de produire de l’énergie à échelle industrielle à partir d’algues sur le court terme, la filière devant lever des verrous importants :
  • lors de la phase de production de la ressource primaire : sélection des meilleures souches algales (identifier-optimiser les souches adaptées à l’exploitation industrielle) ; préparation des milieux de culture, d’amplification et d’inoculations ; choix des réacteurs pour progresser dans la conception de systèmes de production à grande échelle (bassins, réacteurs flottants, photobioréacteurs, etc.). Il existe, en outre, des obstacles biologiques et métaboliques à surmonter pour espérer atteindre des productions robustes et stables sur de longues périodes. Enfin, la gestion des écosystèmes aquatiques n’est pas encore maîtrisée (prévention des disséminations indésirables dans les écosystèmes existants ; résistance aux agresseurs biologiques) ;
  • lors de la phase de concentration et d’extraction des substances d’intérêt : le coût et la consommation d’énergie des procédés de décantation/floculation, cyclones, ultrafiltration, membranes, extraction par solvants, osmose, etc., sont encore trop élevés. Selon Lardon et al. (2009), la balance énergétique de la production de biodiesel à partir d’algues peut être rapidement compromise et même conduire à une chaîne de production contre-productive. 90 % de la consommation d’énergie proviennent de la phase d’extraction des lipides (70 % lors d’une extraction humide). Il est donc clair que la recherche doit se concentrer sur l’amélioration de la performance énergétique de cette phase du procédé.
La production d’hydrogène à partir d’algues est réalisable via un large éventail d’approches comprenant l’hydrogène photosynthétique, la photo-fermentation, et la fermentation obscure. La technique la plus prometteuse est sans doute l’hydrogène photosynthétique. Ici, les algues sont des organismes photosynthétiques qui produisent de l’H2 directement à partir de la lumière solaire, du CO2 et de l’eau.

Il est important de souligner que la filière se développe aujourd’hui essentiellement grâce à la production de produits à forte valeur ajoutée (cosmétique, nutrition, etc.). L’équilibre économique de la filière algocarburant ne semble possible qu’en complément de la valorisation des coproduits (valorisation d’Oméga3, etc.).

Bien que la France soit l’un des pays référents en matière de publications et de brevets, le retard des investissements industriels par rapport aux autres pays, comme les États-Unis, la Chine ou même le Royaume-Uni, est important. Depuis 2005, plusieurs projets de recherche français (par exemple SHAMASH ou SYMBIOSE) et de nombreux projets industriels (SALINALGUE, EIMA, ALGOHUB, ECOKELP, AZOSTIMER, TOPLIPID, etc.) sont mis en oeuvre, pour certains spécifiquement dédiés au développement de la filière biocarburant. Par exemple, le projet SALINALGUE, dans le sud de la France, mené par un consortium d’industriels et de laboratoires pilotés par La Compagnie du Vent, envisage la culture à grande échelle d’algues dans des bassins reconvertis à partir de salines en bord de mer. En Europe, les Pays-Bas développent des technologies de photobioréacteurs et/ou raceways (AlgaeParc, université de Wageningen). Le plus grand photobioréacteur en Europe (500 km de tubes) se trouve en Allemagne (usine Roquette située à Klötze). À l’international, des démonstrateurs en plein air sont en place en Israël (Seambiotic), à Hawaii (consortium Cellana) et au San Diego Center for Algae Biofuels. Le plus grand pilote sous serre à ce jour, et probablement le Genomics-EMRE (Exxon Mobil) en Californie. La serre abrite des photobioréacteurs de divers types ainsi qu’une quinzaine de raceways.

Les carburants de synthèse d’origine fossile


Les technologies de gazéification (filière charbon) sont matures et déjà sur le marché. Les acteurs R & D et les fournisseurs sont présents dans plusieurs pays dans le monde. En France, c’est essentiellement Air Liquide par son rachat de la société Lurgi qui peut fournir ce type de technologies.

La technologie Fischer-Tropsch (FT) pour les filières charbon et gaz naturel est industrielle (Sasol, Shell). La France compte parmi les leaders mondiaux car Axens fait partie des rares sociétés à proposer cette technologie sous licence.

Des recherches sont toutefois en cours pour améliorer les performances de ces réacteurs :
  • les réacteurs en lit fixe utilisent le plus souvent un catalyseur à base de cobalt. La société Exxon Mobil a beaucoup travaillé sur une technologie de catalyseurs mais n’est pas allée jusqu’à leur industrialisation, alors que la société Shell utilise Bintulu en Malaisie. La technologie sur lit fixe est utilisée à une échelle industrielle de grande taille dans l’usine de Pearl au Qatar également développée par Shell. Les recherches en cours visent à augmenter le rendement des réacteurs en travaillant sur des couples catalyseurs/procédé plus sélectifs et/ou plus actifs ;
  • les réacteurs en lit bouillonnant emploient une technologie de réacteur de type colonne à bulles/slurry qui est, pour le moment, exclusivement utilisée pour la synthèse Fischer-Tropsch basse température par des catalyseurs à base de cobalt. En France, Axens et IFPEN ont développé leur propre technologie avec ENI, qui a été validée grâce à une unité pilote de 20 barils par jour située dans la raffinerie de Sannazzaro. Axens la commercialise. Les recherches en cours visent à améliorer la performance du catalyseur pour maximiser le rendement en distillats ainsi que sa résistance mécanique. Le coût de l’investissement reste toutefois le point bloquant de cette technologie. Une unité de 50 000 barils par jour représente un investissement de plus de 3,5 milliards de dollars. Cela explique le nombre limité d’unités en service et en projet à ce jour.
La technologie de liquéfaction directe du charbon est maîtrisée et commercialisée par Axens. Elle est à l’aube de sa vie commerciale. Les retours des premières industrielles permettront de mieux définir les voies de progrès.

On voit par ailleurs émerger des recherches sur des technologies adaptées à des installations de petite taille ou flottantes basées sur l’utilisation de réacteurs microstructurés et dont le marché est l’exploitation des gisements de ressource de taille modérée (gaz de schiste, par exemple) ou peu accessible (gaz offshore). On peut citer entre autres les technologies Oxford Catalyst/Velocys ou Compact GTL. Les verrous sont essentiellement liés à la micro-fluidique et à l’encrassement des micro-canaux contenant les catalyseurs. Aussi, le projet OCMOL, cofinancé par la Commission européenne, vise à développer une technologie GTL adaptée à un approvisionnement limité. Des évaluations sont en cours et la rentabilité de telles technologies reste à établir.

En conclusion, la filière GTL est globalement mature mais sa rentabilité est encore très contrainte : l’installation doit notamment être proche du gisement de gaz naturel et bénéficier d’un accord à long terme sur les prix avec le fournisseur de gaz naturel. Sa rentabilité dépend de l’évolution des prix relatifs attendus du gaz naturel et du pétrole. Il en est de même pour la filière CTL avec, de plus, une contrainte supplémentaire liée à la séquestration du CO2.