Développement d une filière de carburant au bioéthanol

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1 Développement d une filière de carburant au bioéthanol Rapport final de la phase d'investigations Rapport établi pour : Rapport établi par : Centre de profit RFA M. P. Schaller Länggassstrasse 35 CH 3000 Berne pierre.schaller@alcosuisse.ch PLANAIR SA Bureau d ingénieurs SIA MM. P. Krummenacher et M. Kernen Crêt 108a CH 2314 La Sagne info@planair.ch Copyright Alcosuisse 2002 DECEMBRE 2002 PLANAIR énergies, chauffage, ventilation, climatisation, thermique industrielle, physique du bâtiment, planification

2 page 2 A GLOSSAIRE Ce glossaire présente les termes et abréviations utilisés fréquemment dans ce rapport : A amidon AFF Administration fédérale des finances du DFF. ASIG Association Suisse de l'industrie du Gaz, association de défense des intérêts du gaz Atisholz Usine de production de cellulose et autres produits tirés du bois. Cette usine produit environ 12 Mio l/an de bioéthanol. Baril Unité de mesure du pétrole brut, 1 baril (bbl) = 159 litres Biodiesel ou EMC, diesel fabriqué à partir de colza Bioéthanol éthanol, ou l alcool éthylique obtenu par fermentation des sucres de matières premières végétales (herbe, topinambour, betterave à sucre, céréales, bois) ou de «déchets» (petit-lait, vieux papier, ). Brent Pétrole brut CEATE Commission de l environnement, de l aménagement du territoire et de l énergie (CN : Conseil National, CE : Conseil des Etats). Co-produit matière valorisable produite conjointement avec le bioéthanol. CO 2 Dioxyde de carbone, gaz à effet de serre provenant notamment de la combustion de carburants et de combustibles. COVs composés organiques volatiles (VOC en anglais). DDGS Distiller's Dried Grains with Solubles, co-produit de la production d éthanol à partir de céréales (par ex. blé, orge, maïs) utilisé comme aliment protéinique pour les animaux en remplacement de tourteau de soja par ex. Il s agit de drêches, auxquelles les vinasses concentrées (sirop) contenant les protéines solubles sont mélangées, puis séchées. Densité énergétique contenu énergétique d'une matière rapporté à son volume. DETEC Département fédéral de l'environnement, des transports, de l'énergie et de la communication. DFE Département fédéral de l'économie. DFF Département fédéral des finances. DGD Direction générale des douanes du DFF. mélange de 10% v/v d' avec du diesel et un solubilisant pour une utilisation dans des véhicules non modifiés. Ce produit n'est pas encore normalisé. EMC ester méthylique de colza (ou biodiesel), diesel fabriqué à partir de colza EMPA Eidgenossische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt ; institut de recherche spécialisé notamment dans les mesures d'émissions des véhicules. ou 1 mélange de 5% v/v d' avec de l'essence (essence 95 ou essence 98 sans plomb) pour une utilisation dans des véhicules non modifiés. Ce produit correspond à la norme suisse et européenne (EN 228). marque déposée par Alcosuisse 2 désignant du bioéthanol utilisé comme carburant en mélange avec de l'essence ou du diesel. 1 ess nce 5 dans le texte du présent rapport. 2 Marque déposée en Suisse en octobre 2002, avec une validité de 10 ans.

3 page 3 ETBE EtOH e85 dt FFV éthyl-tertio-butyl-éther, obtenu par transformation de l'éthanol déshydraté par voie de réaction chimique avec l'isobutène, l'etbe est actuellement utilisé comme additif dans l'essence. éthanol (abréviation courante). mélange de 85% d éthanol avec 15% d essence dans des véhicules spécifiques appelés FFV (Flexible Fuels Vehicles). décitonne = 100 kg. Flexible Fuel Vehicle. Véhicule pouvant fonctionner indifféremment avec de l'essence normale ou de l'e85. Gaz à effet de serre Les gaz à effet de serre sont le dioxyde de carbone (CO 2 ), le méthane (CH 4 ) et le protoxyde d'azote (N 2 O). LCA Life cycle analysis; analyse de cycle de vie ou écobilan. Etude visant à évaluer les impacts globaux sur l'environnement d'un procédé, d'une filière ou autre. Matières ligno cellulosiques : se dit de matières contenant de la lignine et de la cellulose, typiquement de l'herbe, du bois, des fanes de topinambour, etc. Mio l/an Million de litres par an. MF matière fraîche. MP matière première. MS matière sèche (DM = dried matter ; TS = trockene Substanz). MTBE ODT OFAG OFEFP OFEN PF RFA S TCS UP méthyl-tertio-butyl-éther. Le MTBE, d'origine fossile, est le principal additif pour augmenter l'indice d'octane dans l'essence. Ce produit, qui peut polluer les nappes phréatiques, sera banni dans 16 états des Etats-Unis dès Il est également controversé en Europe. Office fédéral du développement territorial du DETEC. Office fédéral de l'agriculture du DFE. Office fédéral de l'environnement, des forêts et du paysage du DETEC. Office fédéral de l'énergie du DETEC. poids frais ; équivalent à MF La Régie fédérale des alcools du DFF. sucre Le Touring Club Suisse (TCS), club fort de plus de 1,4 million de membres. Union Pétrolière, association qui couvre l'économie pétrolière en Suisse, défend les intérêts de ses membres et favorise la promotion des produits pétroliers. USP L'Union Suisse des Paysans regroupe 25 chambres cantonales de l'agriculture ainsi que 65 organisations faîtières et sectorielles et défend les intérêts de 68'800 exploitations agricoles. ZAF AG Société anonyme des Sucreries d Aarberg et de Frauenfeld. % v/v pourcentage volumique, par opposition au pourcentage massique (p. ex. : mélange de 5% v/v d' avec de l'essence, signifie 5% (en volume) d' dans 95% (en volume) d'essence. 3 Ethanol: on easy street for now, Chemical Engineering, p 31-39, August 2002

4 page 4 B RESUME La filière bioéthanol 4 utilisé comme carburant peut apporter une contribution significative à la réduction des émissions de CO 2 dues aux transports, réduction à laquelle la Suisse s est engagée dans le cadre du protocole de Kyoto. Déjà développée à large échelle dans plusieurs pays (Brésil, USA, France, Suède, Espagne) 5, cette filière présente l avantage de pouvoir être mise en œuvre rapidement et avec des investissements modestes: en faibles concentrations jusqu'à 5% volume dans l essence, seules des adaptations mineures du système de distribution et des précautions élémentaires sont nécessaires. A cette concentration et conformément à la norme européenne EN228 définissant l essence sans plomb, le carburant est utilisable par tous les véhicules essence actuels. Ces avantages valent également, dans une moindre mesure, pour de faibles concentrations de bioéthanol dans le diesel. Dans ce contexte, Alcosuisse souhaite développer la filière 6 du bioéthanol en tant que carburant pour sa contribution au développement durable ainsi que pour soutenir le développement d'un nouveau secteur industriel offrant des débouchés à l'agriculture suisse. D'autre part, Alcosuisse estime que ce nouveau produit lui permettra de diversifier ses propres activités, valoriser son savoir-faire et mieux rentabiliser ses exploitations. Une phase d investigations, qui s est déroulée de janvier 2001 à fin 2002, visait à déterminer si, et dans quelles conditions, le développement de cette filière présente un intérêt et une probabilité de succès suffisants pour Alcosuisse. Le présent rapport synthétise les activités menées, les résultats obtenus et les perspectives dégagées. Il présente également des recommandations sur la stratégie à suivre. Le développement d une telle filière est conditionné par de nombreux facteurs techniques, économiques, agricoles, politiques (énergétique, agricole, environnementale, fiscale), liés au comportement des utilisateurs, au marketing, à l environnement et à la sécurité. Les investigations ont été réalisées et coordonnées par le bureau d ingénieurs SIA PLANAIR SA sous la direction de M. Pierre Schaller, directeur d Alcosuisse. Ce bureau d'ingénieurs s est entouré de spécialistes reconnus dans leur domaine : EMPA pour les mesures d émissions des véhicules ; LASEN-EPFL pour les analyses de cycle de vie 7 ; LGCB-EPFL pour les procédés de production utilisant le petit-lait et l herbe; LBE-EPFL pour la filière topinambour ; Maguin-Intéris pour la conception, le dimensionnement et l'évaluation des coûts d unités de production d éthanol ; Helbling Ingenieurunternehmung pour l'analyse économique de la production ; Arc Management pour la stratégie générale ; Médiactif pour l'enquête d opinion ; Adequa pour la communication ; InfoSuisse pour le dépôt de marque. 4 alcool éthylique obtenu par fermentation des sucres de matières premières végétales (biomasse). 5 au sein de l'union Européenne, l utilisation des biocarburants dans les transports est appelée à se développer massivement au cours de la prochaine décennie, notamment sous l impulsion de deux propositions de directive de la Commission européenne. 6 Alcosuisse entend ici la production, la distribution et l utilisation de bioéthanol produit à partir de matières premières renouvelables indigènes. 7 Comptabilisation des ressources consommées, des émissions et des impacts environnementaux, «du berceau à la tombe», engendrés par un produit ou un service. Permet de comparer, à prestations équivalentes, des procédés, des produits ou des services.

5 page 5 De plus, de nombreuses personnes et organismes (entreprises, offices fédéraux) ont été informés de la démarche et consultés. Il s'agit en particulier des offices fédéraux concernés (OFEN, OFAG, OFEFP, ODT, DGD, AFF, RFA), des associations faîtières des secteurs pétrolier et de l'automobile (TCS, UP, Auto-Suisse, Raffinerie de Cressier) et des milieux agricoles et agroalimentaires (USP, Prometerre, SRVA, RAC-Changins, Swisspatat, FSPC, Sucreries, Fenaco, UFA, SDF, Cremo, Emmi). Les différentes formes d utilisation de l'éthanol en tant que carburant ont été analysées. Le choix s est porté dans l immédiat et à moyen terme sur l'ess nce 8 5, et le di sel Le rappelle qu il s agit de bioéthanol, marque déposée d Alcosuisse. Le choix de l'ess nce 5 est motivé par sa simplicité et donc son faible coût de mise en oeuvre (compatibilité avec le parc de véhicules et le réseau de distribution de carburants existants). Alcosuisse souhaite travailler avec les acteurs du secteur pétrolier en place, c est-à-dire rester fournisseur de bioéthanol sans devenir distributeur de carburant. Le di sel 10 en est encore au stade pilote 10, et restera sans doute un marché de niche réservé aux flottes de véhicules captives 11. La préparation, la distribution et l utilisation de ces deux carburants font l objet de tests avec les véhicules communaux des villes de Vevey et de Delémont, tandis que d autres tests à plus large échelle sont en cours de préparation. Ils permettent à Alcosuisse de développer son savoir-faire, de faire connaître ses produits et d impliquer les motoristes et les équipementiers. Il est apparu que l'analyse des bénéfices environnementaux du bioéthanol devait être actualisée en fonction des nouveaux procédés disponibles, et que des mesures d'émissions détaillées et représentatives du comportement des véhicules faisaient défaut pour les carburants retenus (ess nce 5 et di sel 10 ) 12. C est pourquoi des mesures très complètes (émissions de CO, HC, NO x, particules, COVs, CO 2 ; consommation de carburant) ont été réalisées sur une voiture essence, une voiture diesel et un moteur de véhicule utilitaire de technologies actuelles. Ces mesures établissent que les émissions sont globalement équivalentes à celles de carburants sans bioéthanol et que les normes anti-pollution EURO correspondantes sont bien respectées. Ces mesures ont permis de réaliser une analyse de cycle de vie (LCA) cohérente, incluant les émissions effectives lors de l utilisation des deux carburants considérés, pour une filière de production d éthanol à partir de matières lignocellulosiques. Cette analyse atteste les avantages en matière d économies d énergie fossile et de réduction des émissions de CO 2, qui sont comparables à ceux présentés par d autres études portant sur des filières de production de bioéthanol à partir de betteraves à sucre ou de céréales. Le bilan global, compte tenu des autres classes d impacts (eutrophisation, acidification, effets cancérigènes et respiratoires), montre les bénéfices importants de l'ess nce 5 comparée à l'essence 95 (ou 98), mais est plus contrasté pour le di sel 10 comparé au diesel. 8 mélange de 5% v/v de bioéthanol dans l essence de qualité commerciale. 9 mélange de 10% v/v de bioéthanol (et 2% v/v de solubilisant) dans le diesel de qualité commerciale. 10 une normalisation de ce carburant a été demandée récemment par la Commission européenne au Comité Européen de Normalisation (CEN). 11 flotte de véhicules se ravitaillant à un nombre très limité de stations services (souvent propres à l entreprise) 12 De nombreuses mesures sont citées dans la littérature, mais ont été obtenues dans des conditions différentes (véhicules modifiés, cycles de test, carburant, etc.) et ne sont donc pas comparables.

6 page 6 Les matières premières disponibles à court terme ont été répertoriées avec l aide des organismes concernés. La valorisation actuelle des surplus "techniques" de pommes de terre par déshydratation, coûteuse et peu écologique, serait avantageusement remplacée par la production d éthanol. Les céréales panifiables déclassées en céréales fourragères pour soutenir les prix du marché offrent un important potentiel de production. Une augmentation de la production de betteraves est possible, dans les limites des capacités de traitement actuelles des sucreries, et permettrait de disposer d une quantité correspondante de mélasses pour la production d éthanol. Des quantités significatives de petit-lait et de perméat ont été identifiées auprès de quelques industries. Au total, les ressources disponibles à court terme (surplus «techniques», voire «déchets») représentent un potentiel de production de bioéthanol de l ordre de 47 Mio l/an. La culture du topinambour offre de bonnes perspectives de doubler, à moyen terme, ce potentiel ; cette plante pourrait ainsi représenter un nouveau débouché important pour l agriculture, tout en satisfaisant aux impératifs écologiques. L intérêt de l herbe et/ou des autres matières ligno-cellulosiques reste dépendant de la maîtrise de procédés de conversion de taille industrielle. Le marché pour les co-produits de la production de bioéthanol (vinasses, drêches de blé, pulpe de topinambour, levures), ainsi que leur valeur économique, ont été évalués. Deux unités de production de types différents ont été dimensionnées, leurs coûts d investissement et leur rentabilité évalués. Il s agit d une part d une unité traitant du petit-lait et du perméat d une capacité de 6 Mio l/an. La rentabilité d une telle unité est insuffisante, en raison notamment de sa capacité trop limitée et des coûts encore élevés de la matière première. Mais des perspectives d amélioration significatives à moyen terme ont été identifiées. D autre part, une unité polyvalente spécificité du projet d Alcosuisse - traitant les ressources identifiées précédemment (céréales, pommes de terre, mélasse de betteraves) a été conçue. Intimement liée à l utilisation prioritaire de surplus et de déchets «bon marché», sa rentabilité est satisfaisante. Bien qu excentré, le site de Delémont n est que faiblement pénalisé en terme de prix de revient de l éthanol. L usine d Atisholz pourrait également constituer une base de développement. Concernant le topinambour, une analyse détaillée de la littérature a permis d identifier les technologies de conversion les plus prometteuses à court terme pour une production industrielle. Au terme des entretiens avec quelques acteurs importants du secteur pétrolier, lesquels se sont montrés intéressés par ce projet, il apparaît que la distribution du carburant ess nce 5 est réalisable sans grande difficulté dans le réseau de distribution actuel ; les adaptations éventuelles et les points critiques à contrôler sont connus. Le mélange à la raffinerie offre toutes les garanties requises ; selon le prix de revient de l éthanol et l ampleur de la distribution envisagée, un mélange dans les stocks régionaux peut également convenir. Le di sel 10 devrait rester un carburant de niche destiné aux flottes captives, car ce carburant présente des propriétés sensiblement différentes du diesel et une compatibilité plus limitée. Au niveau de l utilisation, le fonctionnement des véhicules, nouveaux et existants, avec l ess nce 5 a été certifié, à la demande d Alcosuisse, par la majorité des importateurs suisses de véhicules regroupés au sein d Auto-Suisse. Le TCS a aussi fait part de son grand intérêt. Ces deux organismes estiment favorable le fait que l utilisation de l ess nce 5 n engendre pas d augmentation de la consommation. Un sondage d opinion a mis en évidence les attentes des consommateurs et montre que l ess nce 5 serait très bien accueillie par bon nombre d entre eux, même s il devait en résulter une augmentation du prix à la colonne de quelques centimes. Cette enquête a identifié les domaines de communication importants, et mis en

7 page 7 évidence des différences sensibles de réceptivité selon les zones géographiques et les catégories de consommateurs. La sensibilité du prix de l ess nce 5 à la colonne en fonction des principaux paramètres, notamment le montant de l impôt sur les huiles minérales et la future taxe sur le CO 2, a été évaluée. Comme à l étranger et à fortiori dans le contexte suisse, la viabilité de cette filière dépend fortement des allégements fiscaux accordés aux carburants écologiques. Il importera, sur la base des résultats d analyse LCA, de faire intégrer le bioéthanol dans les réflexions en cours, au sein des commissions CEATE 13, sur la détaxe partielle des carburant ; le rapport déposé par le groupe de travail «klimafreundliche Treibstoffe» dirigé par l'ofen, très positif pour l éthanol, y contribuera certainement aussi. De plus, la taxe sur le CO 2 agira favorablement sur le prix de l ess nce 5. En conclusion, le développement d une filière bioéthanol, basée sur des matières premières indigènes, possède de réelles chances de succès ; un soutien politique clair doit être obtenu de la part des différents milieux concernés. Une attention particulière et des mesures adéquates seront accordées aux risques identifiés. La stratégie de développement en plusieurs phases proposée est réaliste et doit permettre à Alcosuisse d atteindre ses objectifs tout en minimisant les risques. 13 Commission de l environnement, de l aménagement du territoire et de l énergie, du Conseil National et du Conseils des Etats.

8 page 8 C TABLE DES MATIERES A Glossaire...2 B Résumé...4 C Table des matières...8 D Table des illustations et des tableaux Introduction Problématique Les carburants au bioéthanol Développement durable et carburants au bioéthanol Objectifs et positionnement d'alcosuisse But et limite de l'étude Démarche Historique et expériences internationales Historique et développement international actuel Perspectives à moyen terme Situation en Suisse Contexte suisse et international Contexte légal suisse Position des principaux acteurs en Suisse Contexte international Matières premières Introduction Petit-lait et perméat Pommes de terre Céréales Betteraves Topinambour Herbe Conclusion Production d ethanol Introduction Procédé petit-lait et usine de production Filière topinambour Dimensionnement de l'usine multi-matières premières Conclusion Distribution Introduction Types de carburants au bioéthanol Normes sur les carburants et compatibilité des carburants au bioéthanol Choix de produits pour la Suisse Structure du marché pétrolier en Suisse Scénarios de distribution de carburants au bioéthanol Choix d un scénario de distribution / commercialisation Conclusion Utilisation Introduction Caractéristiques du parc automobile suisse Compatibilité avec les véhicules actuels Conclusion...70

9 page 9 9 Impact environnemental Introduction Mesures d'émissions lors de la combustion Analyse du cycle de vie Conclusion Projets pilotes en Suisse Introduction Projets pilotes en cours Conclusion Comparaison des carburants au bioéthanol et choix d'un produit Introduction Critères de choix Conclusion Coûts et compétitivité du produit ess nce Facteurs influençant le prix du produit Prix de l'essence raffinée Prix du bioéthanol Impôts sur les huiles minérales Taxe sur le CO Comparaison des prix Conclusion Scénario de développement du produit ess nce Introduction Considérations présidant à l'élaboration du scénario Scénario de développement Conclusion Risques liés au projet Introduction Caractérisation des risques et actions à entreprendre Conclusion Conclusion Conclusion générale Recommandations Conclusion finale...99

10 page 10 D TABLE DES ILLUSTATIONS ET DES TABLEAUX Figure 4-1 : Raisons principales pour lesquelles les consommateurs changeraient leurs habitudes d'achat pour se fournir en biocarburant Figure 4-2 : Les 3 craintes principales relatives à l'introduction du biocarburant Figure 4-3 : Potentiel de marché du biocarburant et intentions d'achat Figure 6-1 : Diagramme des process de l unité de production multi-matières premières Figure 7-1 : Palette de carburants au bioéthanol (source : EPFL LASEN) Figure 7-2 : Approvisionnement de la Suisse en produits pétroliers (source Tamoil) Figure 7-3 : Structure de production, de transport et de distribution des produits pétroliers (source UP) Figure 9-1 : Résultat des mesures d'émissions polluantes pour la voiture de tourisme à essence Figure 9-2 : Résultat des mesures d'émissions polluantes pour la voiture de tourisme diesel Figure 9-3 : Résultat des mesures d'émissions polluantes pour le véhicule utilitaire diesel Figure 9-4 : Intrants et émissions des processus du procédé NREL (source EPFL - LASEN) Figure 10-1 : Véhicules engagés pour le test de carburants au bioéthanol à la Ville de Delémont Figures 12-1 : Prix du Brent [US $/ baril] et prix de l'essence sans plomb 95 [ct/l], source Union Pétrolière Figure 12-2: Comparaison du prix de l'essence 95 et de l'ess nce 5 sans réduction de l'impôt Figure 12-3 Comparaison du prix de l'essence 95 et de l'ess nce 5 avec une imposition réduite de 40ct/l sur le bioéhanol Figure 12-4: Influence de chaque facteur sur la différence de prix entre l'essence 95 et de l'ess nce Figure 13-1 : Scénario de développement d'une filière de carburant au bioéthanol ess nce Tableau 4-1: Coûts d'opportunité des mesures, tableau extrait du rapport "CO 2 -Reduktion durch Beeinflussung der Treibstoffpreise", OFEN, Tableau 5-1: Matières premières et potentiel de production d éthanol identifiés par l étude LASEN-EPFL Tableau 5-2 : Surfaces agricoles utilisées pour les principales cultures Tableau 5-3 : Teneur en sucres et rendement des principales matières premières pour la production de bioéthanol Tableau 5-4 : Teneur en lactose et en matière sèche du petit-lait et du perméat Tableau 5-5 : Données de production du secteur laitier Tableau 5-6 : Inventaire des ressources en petit-lait et perméat auprès de SDF, Cremo et Emmi Tableau 5-7 : Données de production et prix des pommes de terre Tableau 5-8 : Ressources en pommes de terre disponibles pour la production d éthanol Tableau 5-9 : Production, rendement et prix des céréales Tableau 5-10 : Quantités de céréales disponibles pour la production d éthanol Tableau 5-11 : Données de production de betteraves à sucre Tableau 5-12 : Matières disponibles et potentiel de production de bioéthanol à partir de betteraves à sucre Tableau 6-1 : Caractéristiques principales d une unité de production de 200 hl/j à partir de petit-lait Tableau 6-2 : Bases de dimensionnement et facteurs limitants de l'usine de production multi-matières premières Tableau 6-3 : Consommation de matières premières et production Tableau 6-4 : Grandeurs techniques et économiques de l'unité de production 1500 hl/j Tableau 9-1 : Résultats de l'analyse de cycle de vie des carburants ess nce 5 et du di sel 10 par rapport à l'essence 95, resp. le diesel Tableau 9-2 : Résultats de l'analyse de cycle de vie des carburants ess nce 5 et du di sel 10 par rapport à l'essence 95, resp. diesel, exprimés par litre de bioéthanol incorporé Tableau 11-1 : Evaluation et comparaison des carburants au bioéthanol Tableau 14-1 : Risques liés à l'approvisionnement de bioéthanol à Atisholz Tableau 14-2 : Risques liés à la distribution et à l'utilisation... 94

11 page 11 Tableau 14-3 : Risques liés à la réduction de l'imposition Tableau 14-4 : Risques liés à la disparition du monopole d'importation d'éthanol d'alcosuisse Tableau 14-5 : Risques liés aux matières premières et à leur transformation en bioéthanol Tableau 14-6 : Risques liés à la commercialisation Tableau 14-7 : Risques liés à la concurrence... 96