1

Biocarburants

Thierry MELKIORCEA

Etat des lieuxZoom sur la voie thermochimique

2

Pourquoi les biocarburants ?

3

Contexte énergétique mondial

4

Contexte énergétique

5

Contexte énergétique

Effet de serre(CO2)

Demande en énergie (carburants)

Ressources fossiles

6

D’après les objectifs fixés dans l’Union Européenne

2009 2010 20200

5

10

15

20

25

part des énergies renouvelables France

%

o Limiter la consommation énergétique

o Augmenter la part des énergies renouvelables

Le défi énergétique : quelles solutions ?

7

Les filières de biocarburants

8

1ere génération

…Les agrocarburants

9

1ere génération

Aujourd’hui : réalité industrielle

Incroporation dans essence (éthanol jusqu’à 7%, ETBE jusqu’à 15%), SP95-E10Biodiesel : incorporation de diester jusqu’à 7% dans le gazole

Usine de production de diester du Meriot, Aube (Prolea)

Usine d’éthanol de bleRoquette a Beinheim, Alsace

10

1ere génération

11

2eme génération

Aujourd’hui : stade de développement de pilotes

Il reste quelques points techniques à résoudreIntégration énergétique : réduire les coûts de production

12

3eme génération

Aujourd’hui : Semble très prometteur

Etudes de laboratoire (biologie, génie chimique)Evaluations technico-économiques

13

La biomasse

14

Biomasse sèche ou lignocellulosique

Bois(bûches, granulés, plaquettes…)

Résidus agricoles(pailles…)

Sous-produits du bois(branches, écorces, sciures,

palettes…)

Plantations énergétiques

(miscanthus, peuplier…)

Biomasse humide

Produits de l’agriculture

traditionnelle(céréales, oléagineux)

Sous-produits de l’industrie

(boues issues de la pâte à papier, pulpes de raisin…)

Déchets organiques

(boues d’épuration, ordures ménagères,

fumier…)

Produits de l’agriculture

traditionnelle(betterave, canne à sucre)

Biomasse algale

Microalgues

La biomasse

15

Densité très faible surtout pour résidus agricoles

Teneur en eau variable (durée de séchage, période de récolte)

Cendres : faible pour bois / + élevé pour résidus agricoles

Matières volatiles : Presque toute la masse

C6H9O4

Mesures Unités Bois forêt Résidus agricoles

Densité apparente - 0,27 0,05

Teneur en eau %m 10-50 10-70

Cendres %ms 1,4 4,6

Matières volatiles %ms 86,9 87,4

C %ms 49,7 47,0

H %ms 5,9 5,8

O %ms 42,5 42,1

PCI sur sec MJ.kg-1 18,4 17,3

(*) moyenne : conductivité 2 fois plus élevée le long des fibres(**) d’après la littérature

Valeurs moyennes d’après étude CEA réalisée sur 80 échantillons issus du Nord-Est de la France (2007-2008)

Propriétés physico-chimiques biomasse lignocellulosique

16

Seules les ressources non valorisées à ce jour sont comptées ici !

Ce qui pourrait représenter jusqu’à :–Environ 10% de la consommation française d’énergie primaire–Environ 40% de la consommation française de carburant

Potentiel (MTep) Estimation basse Estimation haute

Bois (rémanents, produits en fin de vie) 5,5 11,6

Résidus agricoles 1,4 8,7

Cultures énergétiques 0 8,2

Déchets 0 2

Total ~7 ~30

Le potentiel de biomasse lignocellulosique en France

17

Zoom sur la voie thermochimique

18

La gazéification : étapes du procédé

19

Carburant liquide(Diesel Fischer-Tropsch,

méthanol)

Gazéification (biomasse sèche)

Carburant gazeux (SNG)

Chaleur, électricité

Moteur turbine à gaz

cycle combiné

Carburant gazeux (H2PAC)

Biomasse

Prétraitement Gazéification Post-traitement

Synthèse

20

Biomasse

Prétraitement

Gazéification (biomasse sèche)

Gazéification Post-traitement

Synthèse

21

Le prétraitement

Matière première :– Plaquettes forestières– Paille ou autres produits agricoles : fagots ou en vrac

Séchage humidité visée : 15-20 % Broyage granulométrie visée : fonction du réacteur de gazéification

– Lit fluidisé : 1-50 mm – Flux entraîné : 100-300 µm

décomposition thermique sous gaz neutre

Transformation

T (°C) Vitesse de chauffage

Produits Réacteur Avantages / inconvénients

Pyrolyse rapide

500 >1000°C.s-1

>75% liquide

Lit fluidisé, double vis,

cône rotatif, ablatif…

Production d’un liquide facilement transportable et

injectableCoûteux

Pyrolyse lente

400-500

~5°C.min-

1

30% gaz30%liquide30%solide

Four tournant

Broyage fin du solide facilitéTransformation bien

maîtriséePas décentralisable

Torréfaction 200-300

~5°C.min-

1

80% solide20%

gaz+liquide

Four tournant, à plateaux ?

Broyage fin du solide facilitéPerte de masse limitée

Pas encore industrialisée

22

Biomasse

Prétraitement

Gazéification (biomasse sèche)

Gazéification Post-traitement

Synthèse

23

La gazéification

Résidu solide( surtout C)

+ H2O

H2, CO

CO, CO2

+ O2

Biomasse C6H9O4

Humidité : 15-20%

Biomasse C6H9O4

Humidité : 0%

Matières volatiles :•Goudrons •Gaz (H2, CO, CO2, CH4, H2O)

Séchage

T=100-200°C

Gazéification

Combustion

Très lent

Très rapide

Lent

Pyrolyse

T=800-1500°C

+ composés inorganiques :H2S, SO2, NH3, HCN, HCl, HF, KCl…+ particules+ suies

24

Réacteur à lit fluidisé Lit Fluidisé

Température 800-1000°C

Pression 1-10 bars

Taille particules 1-50 mm

Atmosphère gaz H2O, O2

Temps de séjour solide

~ minutes

Puissance 1-100 MWé

Avantages :- Technologies variées et matures pour la biomasse :

échelle industrielle atteinte pour les applications cogénération

- Particules « grosses » (cm) : préparation et injection simples

Inconvénients des LF :- Températures de gazéification <1000°C => Gaz contenant

encore CH4, CO2, Gaz chargé en goudrons- Fonctionnement en pression pas toujours possible ( selon

techno)- Pb d’agglomération de lit pour certaines biomasses- Pas adapté pour les tailles importantes

25

Réacteurs à flux entrainéFlux Entraîné

Température 1200-1500°C

Pression 5-80 bars

Taille particules <0,2 mm

Atmosphère gaz H2O+O2

Temps de séjour solide

~ secondes

Puissance >100 MWé

Avantages du RFE :- Haute température (1300°C)=> équilibre

thermodynamique- Gaz presque exclusivement CO + H2, Craquage

des goudrons - Fonctionnement en Pression (20-80 bars)- Cendres fondues et récupérées dans la zone de trempe- Adapté pour les installations centralisées ( grande taille :

500 MWth et +)

Inconvénients du RFE :- Injection de liquide, de slurry ou de poudre (300µm) =>

préparation : Broyage fin (coûteux)/Pyrolyse (huile )/Torrefaction + Broyage

- Pas adapté pour installations décentralisées ( petites et moyennes tailles < 100 MWth)

26

Biomasse

Prétraitement

Gazéification (biomasse sèche)

Gazéification Post-traitement

Synthèse

27

Le post-traitement

Gaz issu de la gazéification : H2, CO (H2/CO=1) + impuretés

Nettoyage des impuretés selon les spécifications du post-traitement

Ajustement du rapport H2/CO 2 (Fischer-Tropsch, méthanol) 3 (méthanation)

C6H9O4

C6H9O4 + 2 H2O => 6 CO + 6,5 H2

Boisdéchets bois

Culturesénergie

Déchetsagricoles

28

Le post-traitement : nettoyage des impuretés

Les étapes en aval (synthèse) imposent l’élimination + ou – poussée :

Des particules et aérosols Des goudrons Eventuellement du CH4 et

des hydrocarbures légersDes composés inorganiques :

H2S, SO2, NH3, HCN, HCl, HF, KCl…

Cyclones, filtres

Destruction haute Tre, catalyse, laveur

Filtre, laveur

Installations industrielles encrassées par la condensation de goudrons (photos ECN).

29

1,5 CO + 3 H2O => 1,5 CO2 + 3 H2

1ère solution : water gas shift

C6H9O4

CnH2n(+2)

2ème solution : hydrogène

On enlève du CO (6 4,5) pour créer H2 (6 9)

On garde nos 6 CO… et on ajoute 6 H2

C6H9O4 + 2 H2O => 6 CO + 6,5 H2

On perd 25% du carbone en CO2

On garde tout le carbone dans le carburant !

CO + 2n H2 => CnH2n(+2) + nH2On

Boisdéchets bois

Culturesénergie

Déchetsagricoles

Le post-traitement : ajustement ratio H2/CO

30

Biomasse

Prétraitement

Gazéification (biomasse sèche)

Gazéification Post-traitement

Synthèse

31

Carburants de synthèse

A partir d’un gaz CO + H2 on peut synthétiser :

– Méthanol (0,79 ton/m3 ; PCI = 19,8 MJ/kg)– Ethanol (0,79 ton/m3 ; PCI = 29,7 MJ/kg)– DiMéthylEther (0,67 ton/m3 ; PCI = 28.4 MJ/kg)– Diesel Fischer-Tropsch (0,78 ton/m3 ; PCI = 44 MJ/kg)– méthane (gaz) via une unité de méthanation (besoin de H2/CO =3)

Le diesel Fischer-Tropsch est intéressant car directement utilisable dans les moteurs actuels

Synthèse Fischer-Tropsch– Procédé ancien (années 30)– Chaînes CnH2n à partir de CO et H2– H2/CO=2 ; T = 250 °C ; P = 25 bars– Sous-produits : eau et chaleur basse T– 3 usines dans le monde

pertes NaphtaC5-C9

Diesel – kérosèneC10 – C20

off gasC1-C4

32

Situation et acteurs de la gazéification

33

Gazéification : situation actuelle

Technologie ancienne appliquée à l’échelle industrielle au charbon– Utilisation grande échelle : périodes de pénurie de pétrole

Allemagne : 2ème guerre mondiale Afrique du Sud : Apartheid

Applications multiples de maturité différente

– Majorité des installations : production électricité et chaleur

– Industrialisation à court-terme (2015-2020) : BtL, DME, SNG

– A moyen-long terme (2030?) : H2

34

Les verrous actuels de la gazéification

Etapes individuelles maîtrisées dans le cas du charbon (ou gaz naturel)

Verrous énergétiques : rendement global du procédé– efficacité des différentes étapes– Intégration énergétique des étapes dans le procédé

Éviter les montées et descentes de T et PEx : faire la gazéification à la même pression que la synthèse

Verrous technologiques : – Choix du réacteur optimal / application– Résolution des problèmes associés

Injection de biomasses sous forme pulvérisée Corrosion des installations…

Intégration dans le procédé Application aux

biomasses

35

Acteurs de la gazéification

Europe : leader mondial Autres pays impliqués :

– USA, Chine : surtout orientés charbon– Brésil…

Allemagne : leader européen Autres pays en pointe : Pays-Bas, Pays nordiques (Suède, Finlande) France : en retard…mais volonté récente d’implication + forte

Rejoint les pays en pointe

Intérêt récent de nombreux pays : Espagne, Italie, Portugal, Grèce…

Centrale FT Güssing, Autriche

36

Principaux acteurs en Europe

ECN

VTT

IEC Freiberg

TUVienna

KIT

+ universités

CHOREN

GüssingBure

PiteaVarkaus

Centre de recherche

Unité pilote

Plusieurs grands centres de recherche appliquée

+ universités

Soutien aux unités pilotes

Varkaus

Güssing

CHOREN

BioTfueL

Gaya

Bioliq

CEA, CIRAD, CNRS,…

CENER, CIEMAT

37

Principaux projets pilotes en Europe

Pilote Bioliq BioTfueL

Bure CHOREN Gaya Güssing Pitea Varkaus

Pays Allemagne France France Allemagne France Autriche Suède Finlande

Application FTDME

FT FT FT SNG cogénérationSNGBtL

DME, méthan

ol

BtL

Technologie

Flux entraîné (+prétraitement par

pyrolyse slurry)

Flux entraîné

Flux entraîné

Flux entraîné Lit fluidisé (double)

Lit fluidisé (double)

Flux entraîné

Lit fluidisé

Echelle (t biomasse sèche/h)

1 (slurry) 3 10 1 a-plant10b-plant100s-plant

0,5 1-2 1 (liqueur noire)

2-3

Industriels associés

CAC GmbHLurgiMUT

AxensSofiproteol

TotalUhde

Non encore défini

CHORENDaimler

GdF-SUEZRepotec

UCFF

AEEnergietechnik

RepotecCTU

VolvoChemre

c

Stora Enso

Neste Oil

R&D associée

KIT CEA, IFP CEA IEC Freiberg CEA, FCBA, CNRS

TUVienna VTT

Etat d’avancement

En construction Projet démarré en

2010

En cours d’étude

a-plant2002b-planten

courss-plant ?

Projet démarré en 2010

En fonctionneme

nt depuis 2002

2010 Démarrage en 2009

Intérêt fort pour les carburants liquides et gazeux Industriels de domaines différents

RessourcesEnergéticienPapetier

PétrolierMotoristeChimiste

38

Les principaux acteurs du domaine en France

De nombreux acteurs……Mais une communauté restreinte

Rôle des régions (Pôles de compétitivité)

Centre Champagne-Ardennes Languedoc-Roussillon Lorraine PACA Rhône-Alpes…

CEA

RessourcesProcédésR&DIndustriels

CIRADEMAC

IFP

CNRS NancyCNRS Orléans

CEMAGREFUTC

FCBA

GIE-Arvalis ONIDOL

INRA

ONF

UCFFSofiproteol

Air LiquideAXENS

Véolia

EdF

GdF-Suez

Renault

Total

Europlasma

LGC

39

Bilan économique,énergétique & environnemental

40

Les Rendements pour la gazéification de biomasse et synthèse FT

Source : Les biocarburants, D. Ballerini edition Technip 2011

ProcédéRdt masse (%)Carbone

Rdt énergie (%)C10+

Électricité injectée (Mwe)

Lit Fluidisé seul 7-11 20-26 ~ -7(produit)

Lit Fluidisé + Étage HT avec recyclage partiel des sous produits (naphta) 15-19 20-26 ~66

Réacteur à flux entraîné autothermique avec recyclage des sous produits 16-20 39-45 0

Réacteur à flux entraîné plasma avec recyclage des sous produits 34-38 23-29 ~205

Le procédé optimal dépend de l’objectif :– Maximiser rendement masse diminution rendement énergie– Fonctionner sans apport d’énergie externe diminution rendement masse

41

Bilan économique

Les coûts de production de la 2G restent encore peu attractifs.

Source : “Biofuels: is the cure worse than the disease?”, Round table on sustainable development, OECD, 2007

42

Carburants et gaz à effet de serre (GES)

Source : “Well-To-Wheel analysis of future automotive fuels and powertrains in the European context, WTW report, 2007

1G

2G

1G

2G

CO2 émis (g/km)

Carburants 1G et 2G : gain significatif sur les émissions GESGain carburants 2G >> gain carburants 1G

43

Mauvaises pratiques forestières

Coupe « à blanc » avec extraction de toute la biomasse, Nouvelle Ecosse, Canada. (source Greenpeace)

Biocarburants 2G : les dangers

44

Le « deserto verde » au Brésil

Biocarburants 2G : les dangers

45

Eucalyptus forest for paper manufacturing at Aracruz Celulose in Barra do Riacho, Brazil Photograph: Paulo

Fridman/Corbis

46

Merci de votre attention

47

La biomasse sèche : inventaire du potentiel français

–8% de la consommation française d’énergie primaire–40% de la consommation française de carburant

CEA2000

Hyp.Bass

e

Hyp.Haute

PLAQUETTES FORESTIERESRémanents (2) ; Eclaircies de plantation (2) ; Taillis (potentiel 50 Mm3) (1) 4

7 8DECHETS DE 1ère et 2ème TRANSFORMATION (1)

Écorces, délignures, sciures (Non utilisés) ; Copeaux, chutes, rebus (Mal utilisés) 3

DECHETS INDUSTRIELS BANALS (3)40 Mt dont 25% disponibles (bois en fin de cycle) 5

RESIDUS AGRICOLES (2),(4)Paille et tiges de céréales, mais et oléagineux, taille, noyaux, coquilles,… 43 Mt dont utilisables

10 2 4

CULTURES ENERGETIQUES (2),(4),(5)Taillis à courte révolution (peupliers,eucalyptus, saules) ; Plantes herbacées (canne de Provence, céréales)

10 1 8

DECHETS ORGANIQUES (OM, boues….) (3)20 Mt dont 60% disponibles 6 0 3,5

TOTAL sans les déchets ménagers (Mtep) 32 10 20(1) X. DEGLISE, J. LEDE, Entropie n° 94 (1980)(2) R. DUMON(3) Débat énergie et environnement SOUVIRON (1994) (4) Rapport CEE (octobre 1998)(5) Rapport Biomasse et Énergie (Haut Commissaire 2001)

Seules les ressources non valorisées à ce jour sont comptées ici !

20 Mtep :

Même en potentiel : pas de substitution à 100%

48

Evolution de la consommation d'énergie finale en France

48 47 38 39 39 39 40 39

56 5754 59 67 67 68 68

26 3234

4249 50 50 513

33

3

3 3 3 3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

1973 1979 1985 1990 2000 2003 2004 2005

Mte

p

Industrie Residentiel Tertiaire Transport Agriculture

133 139 129 143 158 159 161 161

24%

42%

32%

2%

Consommation d’énergie secteur des transports : ~30 % de la

consommation totale

Transport Routier : dépend à 95% des énergies fossiles

Biocarburants : 1% de la consommation totale de carburants

Contexte énergétique - France

49

Environnement– Réduction des émissions de gaz à effet de serre– Réduction d'autres polluants locaux rejetés par l’Automobile

Politique– Réduction de la dépendance énergétique vis-à-vis du Pétrole– Sécurité d’approvisionnement

Environnement– Préservation de l’environnement

Ressources– Gisements importants, diversifiés et équitablement répartis– Valorisation complémentaire de ressources agricoles, forestières…

Social– Aménagement du Territoire– Création d’emplois dans les pays producteurs

Les Enjeux du Secteur des Transports

50

Les propriétés physico-chimiques de la biomasse

Densité très faible surtout pour résidus agricoles Humidité variable (durée de séchage, période de récolte)

Cendres : faible pour bois / + élevé pour résidus agricolesPrincipalement formées de CaO (bois) /SiO2 et K2O (agricoles)

Matières volatiles : Presque toute la masse

C6H9O4

Présence de N et S

Présence de Cl surtout dans résidus agricoles Présence de ppm de F et autres éléments (Si, Ca, K, Pb, Cr, Cu, Ni, Zn, B,

Fe, Al, Mg, P, Mn…) PCI : Pouvoir Calorifique Inférieur

Environ la moitié du PCI gazole (42,6 MJ.kg-1)

Mesures Unités Bois forêt

Résidus agricoles

Densité apparente

- 0,27 0,05

Humidité %m 10-50 10-70

Cendres %ms 1,4 4,6

Matières volatiles

%ms 86,9 87,4

C %ms 49,7 47,0

H %ms 5,9 5,8

O %ms 42,5 42,1

N %ms 0,2 0,8

S %ms 0,19 0,15

Cl mg/kg 152 2828

F mg/kg 35 72

PCI sur sec MJ.kg-1 18,4 17,3

Capacité calorifique

J.kg-1.K-1 ~1500 (**)

~1500 (**)

Conductivité thermique (*)

W.m-1.K-1 ~0,1-0,3 (**)

~0,03-0,1 (**)

Température de fusion des cendres

°C 1100 1000(*) moyenne : conductivité 2 fois plus élevée le long des fibres(**) d’après la littérature

Valeurs moyennes d’après étude CEA réalisée sur 80 échantillons issus du Nord-Est de la France (2007-2008)

Matériau mauvais conducteur de la chaleur

Tfusion des cendres variable liée à leur composition

Gaz émis lors de la

décomposition thermique

Quantité d’énergie dégagée par la combustion de 1 kg de biomasse, l’eau étant à l’état vapeur

51

Gaz de synthèse (H2, CO)

Biomasse lignocellulosique

Prétraitement Gazéification

Post-traitemen

t

Gazéification (biomasse sèche)

Chaleur, électricité

Moteur turbine à

gazcycle

combiné

Moteur Turbine à gaz Cycle combiné

Rendement élevé Exigences limitées sur le

gaz de synthèse Compétition autres

applications?

52

Bilan énergétique comparé des filières carburant(sans valorisation des coproduits)

Pour toutes les filières I>1 sauf pour ETBE et MTBE ETBE et MTBE produits à partir d’éthanol et de produit fossile

(isobutylène, méthanol) EMHV : le meilleur indice parmi les carburants de 1ère génération Filière gazéification : indice nettement meilleur

3.0 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6

Essence

MTBEETBE

Ethanol (betterave)

EMHV de colzaFilière trituration

DieselKérosène

Ethanol (blé)

Filière fermentation

Filière gazéification

consommée fossile totale primaire énergie carburant de forme sous restituée énergie

I eénergétiqu indice

53

Bilan économique

Les coûts de production de la 2G restent encore peu attractifs.

Source : “Biofuels: is the cure worse than the disease?”, Round table on sustainable development, OECD, 2007