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LaboratoireTransport etEnvironnement

Carburants alternatifs:éléments de comparaisons

Didier PillotDidier Pillot

Conférence du 21 septembre 2010, Conférence du 21 septembre 2010, LyonLyon

2Laboratoire Transport et

Environnement (LTE)

Projet COProjet CO22 NeutrAlp Lyon, 21 septembre 2010 NeutrAlp Lyon, 21 septembre 2010

Pourquoi limiter l’usagedes carburants pétroliers ?

• Enjeux sanitaires (émissions locales de polluants)

Protéger les populations urbaines (SO2, NO2, particules, O3... ) avec la loi LAURE (30 déc.1996) / les seuils de concentrations (OMS) :

Plan Régional de la Qualité de l'Air (PRQA) Plans de Protection de l'Atmosphère (PPA) Plan de Déplacement Urbain (PDU)

• Enjeux énergétiques

Les transports dépendent à plus de 95% du pétrole

Fin du pétrole abondant et bon marché Quelle offre pour une demande croissante ?

Vers plus d’indépendance énergétique… et moins de tensions géopolitiques ?

• Enjeux climatiques (CO2)

La dernière décennie est la plus chaude des annales. 385 ppm CO2 (2008)

Émissions liées à la combustion des énergies fossiles en croissance de 40% depuis 1990


Environnement (LTE)


Les différentes filières deproduction de carburants

alternatifsLes carburants d’origine

fossileLes organo-carburants

(ex biomasse / déchets organiques)

Les carburants gazeux• GPL (Gaz de Pétrole Liquéfié)

• GNV (Gaz Naturel Véhicule)

• DME (Diméthylether ex méthanol)

• H2 (ex gaz naturel)

Les carburants de synthèse

(hydrocarbures liquides par synthèse F-T)

• GTL (ex GNV)• CTL (ex charbon)

F-T : procédé Fischer-Tropsch

Biogaz (ou biométhane)

Agrocarburants (Génération 1)

• Huiles végétales pures (HVP)• Esters d’huile végétale ou biodiesel• Éthanol (ex betterave, blé, canne…)

ETBE (avec isobutène en raffinerie)

Biocarburants (G 1,5)

• Huiles végétales hydrogénées (HVO)

Biocarburants (G 2 voire 3)

• Éthanol (ex biomasse lignocellulosique)

• BTL (gazéification, synthèse F-T)• Bio-DME (par gazéification)

• Isobutène (microbiologie)

• Biobutanol (fermentation)

• Algocarburants (ex algues)

H2 (par gazéification biomasse)


Environnement (LTE)


Carburants actuellement distribués

• Carburants alternatifs d’origine fossile…– GPL (butane + propane) liquide sous 5 bars, très nombreuses pompes

– GNV ou GNC (gaz naturel véhicule ou comprimé)

• Carburants alternatifs… et renouvelables (en tout ou partie)– E5 à E7 (5 à 7% d’éthanol en vol. ou eq ETBE banalisé dans le SP95 et

le SP98)

– SP95-E10 (10% d’éthanol en vol. remplace lentement le SP98)

– E85 (véhicules dédiés "Flex-fuel" ; 10 400 véhicules * de ce type au 1er janvier 2010 et 320 pompes environ)

– B5 à B7 (5 à 7% d’EMHV en volume, banalisé aux pompes gazole)

– B30 (flottes captives collectivités)

– HVP (flottes captives : producteurs agricoles et collectivités)

– Biogaz (ou biométhane) flottes captives (expérience de Lille,…)

*dont 3 135 ventes réalisées en 2009 (+ 3,6 % par rapport à 2008)


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Le GPLbicarburation

essence

Constitué de butane et de propane (≈ 50-50)carburant gazeux facile à liquéfier (5 à 7 bars) : densité énergétique proche de celle de l’essence

Issu du raffinage du pétrole (40 %) ou de l'épuration du gaz naturel (60 %)

Utilisation en tant que carburant (GPLc) mineure (5%) par rapport aux autres usages : bouteilles pour cuisine, chauffage…

Carburant le moins cher actuellement, grâce à une fiscalité avantageuse: TIPP réduite (0,70 €/l), bonus écologique de 2 000 € *, carte grise gratuite ou à 50% dans de nombreuses régions

Ventes faibles en France : 215 000 m3 de GPLc en 2007 pour 13 millions de m3 d’essence. Mais en croissance forte : 2,5% du marché des véhicules neufs début 2010, 10 fois plus qu’un an plus tôt

Avantages environnementaux par rapport à l’essence: -10% CO2, -25% HC, -66% formaldéhydes et HAP malgré une consommation au litre de 30% supérieure ; mais 6 fois plus de NOxet par rapport au gazole: -60% NOx, -95% particules, -90% aldéhydes, mais + 10% CO2

* si le véhicule rejette moins de 135 g/km de CO2


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Le GNVbicarburation

essence

Gaz Naturel Véhicule ou GNC (comprimé), composé de méthane (CH4) essentiellement, le même gaz que fournit GdF pour le chauffage et la cuisine, mais qui doit être comprimé à 200 bars dans les véhicules pour disposer d'une autonomie correcte ( 250 km) du fait de sa faible densité énergétique au litre.

Provenance de Russie (par gazoducs) et Algérie (par méthaniers; le gaz est transporté liquide à -162 °C et à pression atm.)

Carburant moins cher grâce à une fiscalité avantageuse: TIPP réduite (90% du litre d’essence équivalent), bonus écologique de 2 000 €, carte grise gratuite ou à 50% dans de nombreuses régions

Peu de pompes publiques… Ventes auprès de flottes captives : plus de 2200 bus roulent au GNV en France, 750 BOM… Mais 1,1 million de véhicules en Argentine, 640 000 au Brésil, 400 000 en Italie…

Avantages environnementaux par rapport à l’essence: -23% CO2, -30% HC, mais + 400% NOx ;et par rapport au gazole: -75% NOx, -95% particules, mais + 10% CO2


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Émissions relatives de polluants

(à l’échappement)

CO2

/ess /gazole

GPL -10% +10%

GNV -23% +10%

E10 -2%

E85 -5%

B5 -1%

B30 -1%

HVP 30% +2%

NOx/ess /gazole

HC/ess /gazole

Particules /gazole sans

FAP

x6 ? -60% -25% ≈

x4 -75% -30% x4

+30% -25%

≈ ≈

≈ -5% -10%

≈ -10% -20 à -40%

+4% +20 et -10% +30% froid-10% chaud


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Étude RATP (2006)

Traction + Amortissement + Maintenance


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Les biocarburants de 2ème

génération

2009 – 2011 Démonstrateurs de recherche pour la production de biocarburants de 2ème génération (voie thermochimique et biologique).

2012 – 2015 Lancement des premières opérations de taille industrielle. Faire évoluer les unités autothermiques vers des unités allothermiques.

2015 – 2020 Des installations industrielles sont en fonctionnement et représentent une part croissante du marché. (bioraffineries)

Ou biocarburants de synthèse

• Gazéification puis synthèse par Fischer-Tropsch pour le FT-diesel, le diméthyl-éther (DME), l'hydrogène (H2) et, dans une moindre mesure, le méthanol

• Hydrolyse enzymatique pour l’éthanol dit "éthanol cellulosique"

• Filières de biocarburants liquides plus prometteuses à moyen ou long terme

• Avantages : transformation de la biomasse lignocellulosique (bois, herbe, déchets et résidus agricoles, etc.), disponible en plus grandes quantités, généralement moins coûteuse et ne présentant pas de compétition directe avec l'alimentation

Feuille de route


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Les carburants de synthèse

Le procédé FISCHER-TROPSCH n'est pas récent et permet de répondre à la question " comment fabriquer du carburant quand on n’a pas de pétrole ? "

L'Afrique du Sud a eu recours à ce procédé de manière intensive durant l'embargo anti-apartheid qui avait créé une pénurie de brut. Grâce à cela, le pétrolier sud-africain Sasol a pu produire de l'essence, du gazole, des bases pétrochimiques et des lubrifiants.

Actuellement, c'est surtout le gaz naturel qui sert de base ou de charge. On parle alors de GTL (gas to liquid) mais il existe aussi le CTL à partir du charbon ou le BTL à partir de la biomasse.

Les carburants obtenus par ces procédés sont plus propres (exempt de soufre).


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Le DME (diméthyl éther)

Gaz propre, incolore, similaire au GPL dans sa facilité de liquéfaction (5 bars)haute densité énergétique

Synthétisé à partir de gaz naturel, de charbon ou encore de résidus lourds de raffinerie, ou encore de biomasse (Suède)

Convient pour les moteurs diesel les plus performants après adaptation (légère)

Non toxique, émissions polluantes réduites (particules très faibles même sans filtre)

Bilans énergétique et environnemental très favorables lorsque produit à partir d’un déchet de l’industrie papetière, la liqueur noire (riche en lignine et hémicellulose du bois)

Procédé de gazéification et synthèse testé en Suède, doit passer à l’étape industrielle en 2013

Volvo fait rouler 14 camions avec du DME entre 2010 et 2013 pour tester les moteurs utilisant ce nouveau carburant

Le groupe Chemrec AB estime pouvoir remplacer à terme 50% de la consommation actuelle de diesel par du DME produit à partir de liqueur noire, c'est-à-dire 25% de toute la consommation totale de carburants en Suède


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Compromis énergie / effet de serre


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Approche "cycle de vie"

Bilan des gaz à effet de serre des biocarburants (EMPA 2007)

De nombreux biocarburants permettent de réduire de plus de 30% les émissions de gaz à effet de serre, mais…


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Approche environnementale globale

Bilan écologique global des biocarburants (Ecopoints, UBP 2006)

• Méthode suisse de la saturation écologique (ou UBP) : différence entre les impacts sur l’environnement et les valeurs limites légales

• Impact du défrichage et brûlage des forêts sur la pollution atmosphérique, sur la biodiversité, faibles rendements surfaciques, fertilisation intensive et mécanisation sont la cause d'un

• Bilan écologique défavorable de tous les agrocarburants par rapport aux carburants pétroliers


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Carburants issus de technologies de rupture

• 12 solutions (évolutions ou révolutions) en cours de développement, commercialisables dans 5 ans, dont:– Valorisation des déchets pour produire des carburants– Plantes génétiquement modifiées (requièrent moins d’eau, d’engrais, + résistantes, …)

– Enzymes améliorant le rendement en sucre et alcool des plantes sucrières– Conversion biocatalytique et biofermentation (bactéries) pour la conversion de

sucres en biodiesel ou éthanol– Valorisation des co-produits (glycérine) par procédé de fermentation

– Utilisation des algues comme biomasse (meilleur rendement à l’ha, à un coût + faible)

– Production de butanol ex-biomasse par fermentation bactérienne (le butanol est + performant que l’éthanol)

• Besoin du soutien des pouvoirs publics pour favoriser le déploiement commercial de ces technologies

• et de dispositifs réglementaires plus clairs pour encadrer et imposer la biologie de synthèse, la valorisation des déchets et l’éco-utilisation de l’eau et de l’énergie dans la production des biocarburants

D’après "Betting on Science - Disruptive Technologies in Transport Fuels" Étude Accenture, novembre 2009

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