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1- Biocarburants Direction Générale de l’Energie et du Climat - 1 - L’industrie

1- Biocarburants Direction Générale de l’Energie et du Climat - 1 - L’industrie des énergies décarbonées en 2010 Définition et technologies Les biocarburants1 couvrent l'ensemble des carburants liquides, solides ou gazeux produits à partir de la biomasse et destinés à une valorisation énergétique dans les transports. Les biocarburants sont utilisés sous forme d’additifs ou de complément aux carburants fossiles suivants : gazole (incorporation en tant que biodiesel), essence (incorporation sous forme d'éthanol ou d'ETBE2 lui-même produit à partir d'éthanol), au kérosène et aux carburants gazeux. On distingue trois générations de biocarburants selon l'origine de la biomasse utilisée et les procédés de transformation associés. Aujourd'hui, seule la première génération a atteint le stade industriel. LES DIFFERENTES TECHNOLOGIES Les biocarburants concernent deux grandes filières : - les filières liquides : éthanol (et plus globalement la famille des « alcools ») pour une incorporation dans la filière essence, biodiesel pour une incorporation dans la filière gasoil et biojetfuel pour une incorporation dans la filière kérosène (et plus globalement la famille des « hydrocarbures ») - les filières gazeuses : biométhane carburant pour une utilisation gaz naturel véhicule En général, les biocarburants sont classés en trois générations. Les biocarburants dits de 1ère génération sont essentiellement issus de ressources agricoles conventionnelles : betterave - céréales - canne à sucre pour l’éthanol, colza – tournesol – soja - palme pour le biodiesel. Les biocarburants dits « avancés » à savoir de 2ème et de 3ème génération n’ont pas encore atteint le stade industriel et sont au stade de recherche et développement. Le développement de programmes de recherche relatifs aux 2ème et 3ème génération vise à répondre, d’une part, aux exigences 1 Le préfixe « bio » des biocarburants indique que les carburants proviennent de la biomasse, par opposition aux carburants fossiles. 2 ETBE : Ethyl Tertio Butyl Ether, produit à partir d’éthanol (d’origine agricole) et d’isobutylène (d’origine chimique) environnementales et sociétales et, d’autre part, aux besoins croissants en carburants. Les biocarburants de 2ème génération utilisent l’intégralité de la lignocellulose des plantes ou de la biomasse : bois, paille, déchets, résidus agricoles et forestiers, cultures dédiées. La culture des plantes utilisées n'entrera plus en concurrence directe avec les cultures vivrières. Les biocarburants de 3ème génération se distinguent de la 2ème génération par le type de biomasse utilisée. Cette dernière est issue des algues : microalgues et également macroalgues en condition autotrophe (capacité à synthétiser de la matière organique à partir de matière minérale). Il faut noter qu’il n’y a pas encore de consensus sur la définition de la 3e génération. Certains, en plus des microalgues, y incluent l’ensemble des microorganismes et y classent les biocarburants où la biomasse utilisée ne provient pas de surfaces terrestres. La diversité de la biomasse utilisée, des produits de sortie (alcools, hydrocarbures…) et des voies de transformation rend parfois inadéquat le classement des biocarburants en trois générations. C’est pourquoi, les termes génération 1,5 ou encore 2,5 sont apparus pour y classer certains biocarburants. A titre d’exemple, les huiles végétales hydrogénées (HVO) qui subissent un hydrotraitement (ajout d’hydrogène) sont classées en 1ère génération ou en génération 1,5 de par l’origine de la biomasse (huile végétale). C’est pourquoi les biocarburants seront présentés dans cette note suivant les voies de transformation et non en termes de générations. En termes technologiques pour aboutir à la production de biocarburants, on distingue : - les voies biochimiques qui permettent de convertir deux macromolécules principales : les sucres et les lipides ; - et les voies thermochimiques qui permettent de convertir deux intermédiaires principaux : le gaz de synthèse (dit syngaz) et les biobruts/biohuiles. Enfin, la plupart de ces biocarburants de génération avancée sont au stade de recherche et développement, les verrous technico-économiques sont forts. Les productions industrielles significatives ne sont pas attendues en France avant 2020. Biocarburants Direction Générale de l’Energie et du Climat - 2 - L’industrie des énergies décarbonées en 2010 Voies biochimiques Les voies biochimiques permettent de convertir deux macromolécules principales : les sucres et les lipides. Cela nécessite au préalable d’extraire ces molécules de la biomasse terrestre et aquatique: des plantes sucrières (pour la première génération : canne à sucre, betterave sucrière, maïs, blé; pour les générations avancées : microalgues, biomasse lignocellulosique) et des plantes oléagineuses (colza, soja, microalgues). Ces voies nécessitent donc une séparation efficace de la biomasse utilisée afin de libérer des macromolécules d'intérêt (sucres et lipides) pouvant être transformées. Voies biochimiques avancées : les sucres pour faire des alcools et hydrocarbures Le produit attendu de ces voies est l’éthanol. Ce dernier est obtenu par fermentation alcoolique de sucres fermentescibles (glucose, saccharose, etc.), soit directement présents dans la plante, soit provenant d'une hydrolyse enzymatique de la macromolécule d'amidon. Les deux principales plantes exploitées pour leurs sucres fermentescibles sont la canne à sucre et la betterave sucrière. Les principales plantes exploitées pour leurs grains contenant de l’amidon sont le maïs et le blé. Pour produire des biocarburants de 2ème génération selon ces voies, le procédé utilisé comporte les mêmes étapes principales que celui de première génération : une hydrolyse enzymatique des matières premières, suivie d’une fermentation alcoolique des sucres libérés, puis d’une distillation permettant de récupérer des alcools : éthanol mais aussi des alcools dits « lourds » (longueur de chaîne carbonée de plus en plus importante) comme le butanol. La biomasse lignocellulosique contient de la cellulose (qui inclut des sucres en C6, soit à 6 atomes de carbone), un des trois constituants majeurs des parois végétales (plantes et bois) avec l’hémicellulose (sucres en C5 et C6) et la lignine (ramification de polyphénols). Tout l’enjeu consiste à rendre la cellulose et l’hémicellulose accessibles aux étapes d’hydrolyse et de fermentation. Aujourd’hui, les procédés utilisés sont l’explosion à la vapeur, la thermohydrolyse à 200°C ou encore l'utilisation d’acide dilué. L'aspect énergivore de cette étape, la dégradation des sucres ou encore la formation de composés toxiques sont les verrous identifiés à lever. L’hydrolyse enzymatique L’hydrolyse enzymatique par des enzymes spécifiques permet de fragmenter les molécules de cellulose en sucres fermentescibles, les sucres en C6. L’hydrolyse est catalysée par des acides forts ou enzymes (cellulases). Cette catalyse enzymatique est aussi efficace que l'hydrolyse acide mais bien meilleure en terme de rendement (pas de génération de déchets) et d'impact environnemental (conditions douces de température et de pression). Le verrou majeur de cette étape est le coût des cellulases. L’hydrolyse de l’hémicellulose, qui nécessite des enzymes différentes, est encore à l’étude car son rendement actuel est faible. La fermentation La fermentation des sucres en C6 par des levures est similaire à celle pour la production des biocarburants de première génération mais la présence de lignine dans la biomasse limite la concentration initiale en sucres en C6 et donc la teneur finale en éthanol. Par ailleurs, certains composés toxiques de l'étape de prétraitement peuvent être présents lors de la fermentation. Enfin, les sucres en C5 issus de l’hydrolyse de l’hémicellulose sont difficiles à convertir en éthanol et nécessitent des microorganismes fermentaires différents. Procédé de transfor mation Transformation 1 Molécule plateforme Transformation 2 Produit final Hydrolyse enzymatique Sucres Fermentation Ethanol (1G et 2G) Alcools lourds Isoprénoïdes Transestérification Esters méthyliques d’acides gras (Biodiesel 1G) Récolte, extraction Lipides Décarboxylation Hydrocarbure s Voies Biochimi ques Méthanisation Biogaz Méthanation Biométhane carburant Syngas Fermentation Alcools (dont éthanol) Fisher-Tropsch BtL (Biomass to Liquid) Gazéification Méthanation Alcools BioSNG Voies thermochi miques Pyrolyse/Torréfa ction Biobruts/ biohuiles Raffinage Hydrocarbure s Biocarburants Direction Générale de l’Energie et du Climat - 3 - L’industrie des énergies décarbonées en 2010 En plus des alcools, d’autres produits de sortie sont attendus de cette étape de fermentation, notamment les isoprénoïdes (famille des isoprènes, terpènes) et les biodiesels et biokérosènes obtenus par des voies biochimiques avancées. Les technologies de biologie synthétique Les technologies de biologie synthétique permettent de transformer les sucres en isoprénoïdes. Cette famille des isoprénoïdes intéresse particulièrement le secteur de l’aviation et de l’aéronautique. En effet, ces carburants (à longue chaîne carbonée donc à indice énergétique élevé) seraient compatibles avec les exigences de ce secteur. Dans ce cas, ces développements sont essentiellement conduits par des sociétés de biotechnologies innovantes qui travaillent sur l’ingénierie métabolique, la biologie synthétique pour parvenir à fabriquer ces carburants à des coûts compétitifs. Zoom : la valorisation de la lignine La valorisation des co-produits est un point clé dans l’équilibre des plans d’affaires de la production de biocarburants avancés à partir de biomasse lignocellulosique. Différentes valorisations sont envisagées, la plus courante étant la voie énergétique : production de chaleur et/ou d’électricité. La meilleure valorisation possible, à plus haute valeur ajoutée, serait d’utiliser la lignine comme matière première pour la chimie du végétal (fabrication de colles, résines…), servant ainsi de substitut aux matières premières habituelles, d’origine fossile. Voies biochimiques avancées : les lipides pour faire des hydrocarbures Le produit attendu de ces voies est un biodiesel obtenu par une réaction de transestérification des triglycérides de l'huile végétale brute en esters méthyliques (EMHV), similaire aux biodiesels actuels. Pour les nouvelles générations de biocarburants, les formes de biomasse utilisées sont les microalgues et macroalgues ainsi que d’autres microorganismes (levures…). Pour ces voies avancées, uploads/Industriel/ biocarburants.pdf