LE BIOETHANOL : UNE ALTERNATIVE AU PETROLE?

ECOLE DES MINES DE DOUAI MANIER (Morgan) VANYWAEDE (Nicolas) ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE LE BIOETHANOL : UNE ALTERNATIVE AU PETROLE? Promotion 2010 Année scolaire 2006-2007

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- 3 - TABLE DES MATIERES RESUME.. ABSTRACT. INTRODUCTION PARTIE I : LA FILIERE DE PRODUCTION DU BIOETHANOL A. Généralités sur les biocarburants B. Qu est-ce que l éthanol?. C. La filière du sucre... D. Les céréales, une autre voie de production de l éthanol. E. Développement actuel de la filière lignocellulosique F. Deux étapes fondamentales du processus de conversion.. G. Problèmes liés aux récoltes de betteraves et de cannes à sucre.. PARTIE II : LE BIOETHANOL, L ESSOR D UN NOUVEAU CARBURANT.. A. Les moteurs actuels... B. L expérience du 100% bioéthanol au Brésil.. C. Les moteurs Flex-fuel ou VCM. D. L E85, des proportions bien choisies.. E. Le développement du bioéthanol dans le monde. F. Le Flex-fuel, un succès grandissant PARTIE III : DES ATOUTS A TOUS LES NIVEAUX...... A. Le Bioéthanol, un carburant digne du développement durable.. B. La pollution, un bilan favorable C. Vers une réduction des gaz à effet de serre.. D. Une baisse du coût pour le consommateur E. Vers une indépendance énergétique..... F. Le bioéthanol, une filière génératrice d emplois... G. Un réseau de distribution compatible.. PARTIE IV : LA FRANCE ET LA FILIERE BIOETHANOL A. La présence encore discrète du bioéthanol en France B. La politique française actuelle et ses ambitions C. Un problème de surfaces agricoles en France. D. Le bioéthanol représenté au Salon de l agriculture 2007 CONCLUSION BIBLIOGRAPHIE... 5 7 9 11 12 13 14 16 17 19 22 25 26 27 28 28 30 31 33 34 35 38 39 41 42 43 45 46 48 50 51 53 55

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- 5 - RESUME L objet de cette étude bibliographique est d analyser la possibilité que le bioéthanol devienne dans un futur proche le carburant remplaçant le pétrole. Dans un premier temps, le mode de production du bioéthanol est analysé et on se donne ainsi une vue d ensemble de la filière bioéthanol qui transformera des produits de l agriculture en un carburant exploitable. Ensuite, il convient d étudier les différents emplois possibles du carburant Bioéthanol. On différencie ainsi deux modes d utilisation : Une incorporation de bioéthanol allant jusqu à 10% dans des carburants utilisables dans les moteurs actuels sans problème technique. Le développement d une nouvelle technologie dite «Flex-fuel» dont le carburant est le Superéthanol ou E85 (85% de bioéthanol contre 15% d essence). Cette technologie nécessite un nouveau parc automobile. D un point de vue environnemental, le bilan du Bioéthanol semble favorable par rapport au pétrole même si l on peut douter des études menées sur le long terme qui doivent prendre en compte non seulement la pollution à la sortie du pot d échappement mais aussi celle engendrée par le mode de production. Le bioéthanol, et plus particulièrement la technologie Flex-fuel, est déjà largement répandue dans le monde, notamment au Brésil où plus de la moitié des véhicules en circulation sont Flex-fuel. En France, le développement du bioéthanol est en marche. L Union Européenne a fixé des objectifs quant au taux d incorporation de bioéthanol dans les carburants courants. De plus, le Flex-fuel tend à émerger de par la volonté affichée des constructeurs mais aussi grâce à un effort des pouvoirs publics sur la taxation de ce carburant «vert». MOTS MATIERES Bioéthanol Biocarburant Flex-fuel Energie Production Pollution Environnement Superéthanol

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- 7 - ABSTRACT The topic of this bibliographical study is to analyze the possibility that bioéthanol becomes one day the fuel which would be able to replace oil. In a first part, the way to produce bioéthanol is analyzed and it is a way to obtain an overall view of the die bioéthanol which will transform products of agriculture into an exploitable fuel. Then, it is advisable to study the various possible uses of the bioéthanol fuel. We have to make a difference between two ways of using it: An incorporation of bioéthanol going up to 10% in fuels usable in the current engines without any technical problem. The development of a new technology known as "Flex-fuel" whose fuel is Superéthanol or E85 (85% of bioéthanol against 15% of oil). This technology requires a new automobile park. From an environmental point of view, the assessment of bioéthanol seems to be favorable compared to oil even if we have to be careful with the studies undertaken on the long term which must take into account not only pollution on the outlet side of the muffler but also what is generated by the way to product. Bioéthanol, and more particularly the technology Flex-fuel, is already largely widespread in the world, particularly in Brazil where more half of the vehicles are Flex-fuel. In France, the development of bioéthanol has begun. The European Union laid down objectives as for the rates of incorporation of bioéthanol in the current fuels. Moreover, Flex-fuel tends to emerge thanks to the authorities and car manufacturers. KEYWORDS Bioethanol Biofuel Flex-fuel Energy Production Pollution Environment Super ethanol

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- 9 - INTRODUCTION Dans le monde actuel, la suprématie du pétrole en tant que source de carburant n est plus à démontrer. Elle pose cependant de réels problèmes dans de nombreux domaines. Tout d abord, le pétrole est une énergie fossile pour laquelle la recherche d alternatives est primordiale pour les générations futures. Ensuite, les bouleversements géopolitiques mondiaux n ont de cesse de participer à la croissance du prix du baril, augmentation ressentie aussi bien par les industriels que par les particuliers. Enfin, dans le contexte actuel de protection de l environnement et du développement durable, on assiste à l émergence de nouveaux carburants issus de sources autres que le pétrole. C est à partir de ce constat que de nouvelles sources d énergies ont fait leur apparition ces dernières années, telles que les biocarburants, l hydrogène ou encore la pile à combustible. Parmi toutes ces nouvelles énergies, les biocarburants, et plus particulièrement le bioéthanol, représentent les concurrents les plus sérieux face au pétrole de part leur avancée technologique et leur mode de distribution adapté aux infrastructures actuelles. Dans la logique de substituer le pétrole par un autre carburant, il est essentiel d analyser ce carburant en question dans les différents domaines qui posent problèmes. Ainsi, dans le cas du bioéthanol, il convient d étudier sa filière de production ainsi que ses avantages ou inconvénients par rapport aux carburants issus du pétrole. C est à la lumière de cette étude préliminaire et du développement actuel du bioéthanol qu il sera alors possible de conjecturer quant à l avenir de ce nouveau carburant.

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- 11 - PARTIE I : LA FILIERE DE PRODUCTION DU BIOETHANOL

- 12 - Les crises successives du pétrole, l'épuisement progressif des sources d'énergies fossiles (Pétrole, charbon, gaz naturel) et leurs inconvénients écologiques ont conduit les pays industrialisés à rechercher et à développer de nouvelles sources d'approvisionnement en carburant. Parmi ces sources de carburant, on retrouve les biocarburants. Ces derniers seraient la ressource privilégiée pour remplacer le pétrole ou tout du moins l économiser. Mais qu est-ce qu un biocarburant? I.A. Généralités sur les biocarburants [10] [14] Un biocarburant est un carburant provenant de cultures ou de végétaux non cultivés. Un carburant est un combustible liquide qui fournit de l énergie pour que le véhicule puisse fonctionner. Il existe 3 grandes filières de biocarburants : Les combustibles issus des cultures oléagineuses (une plante oléagineuse est une plante qui peut fournir de l huile). On utilise essentiellement le colza et le tournesol. Les combustibles obtenus à partir d alcool (méthanol, éthanol). Pour cela, on utilise des cultures qui peuvent fermenter pour donner de l alcool. La filière du sucre est fortement utilisée avec la betterave, la canne et l amidon. Les combustibles obtenus à partir du biogaz. Le biogaz provient de la fermentation de matériaux organiques. Cette fermentation, à l abri de l air, dégage du méthane qui peut être utilisé tel quel comme pour le GNV par exemple, ou bien peut servir dans des processus industriels. Nous allons nous intéresser au bioéthanol. Le bioéthanol est de l alcool éthylique que l on peut plus simplement appeler éthanol. On peut produire l éthanol de 2 manières :

- 13 - Par synthèse à partir d hydrocarbures Par synthèse à partir de biomasse Seule cette seconde méthode mérite l appellation de bioéthanol. I.B. Qu est-ce que l éthanol? [9] [13] L éthanol (C 2 H 5 OH) est une molécule qui fait partie de la famille des alcools à cause de sa liaison C-OH. La représentation 3D de cette molécule est la suivante : Figure 1: la molécule d'éthanol Plusieurs transformations sont nécessaires pour obtenir cette molécule d éthanol. C est essentiellement la fermentation qui permet la transformation du glucose ou du saccharose en éthanol. Voici donc les équations de réaction aboutissant à la production d éthanol : Glucose -> Ethanol C 6 H 12 O 6 C 2 H 5 OH + 2 CO 2

- 14 - Saccharose -> Ethanol C 12 H 22 O 11 C 2 H 5 OH + 4 CO 2 L éthanol, également appelé alcool éthylique, est un liquide inflammable et incolore. Voici quelques unes de ses caractéristiques : Température d ébullition : 78 C Température de solidification : -112 C Poids molaire : 46,07 g/mol I.C. La filière du sucre [1] Le bioéthanol peut être produit à partir de plusieurs cultures différentes : Les plantes sucrières, comme la betterave, la canne à sucre et le sorgho sucrier, Les plantes céréalières telles que le maïs, le blé l orge, la pomme de terre et le manioc, Les plantes lignocellulosiques, comme les résidus agricoles ou les résidus forestiers. Pour toutes ces cultures, les premières étapes de transformation consistent à extraire le sucre présent dans les différentes plantes. Ensuite, quand le sucre est libéré, on peut passer aux deux étapes fondamentales de la conversion de la biomasse en éthanol : la fermentation et la distillation. Examinons d abord la filière sucrière avec les betteraves. Ces dernières, après avoir été récoltées, peuvent être stockées 3 jours maximum puis sont lavées pour les débarrasser de la terre qui les enrobe. Elles sont ensuite découpées en cossettes pour extraire le maximum de sucre. Ces sucres sont extraits par diffusion à l eau chaude. C est le sirop issu de la diffusion qui sera fermenté par la suite.

- 15 - Pour les cannes à sucre, le cheminent n est pas le même. Quand la canne à sucre est récoltée, elle doit commencer directement son processus de transformation car si elle est stockée, sa teneur en sucre diminue. Les tiges de la canne à sucre passent ensuite dans des broyeurs puis sont pressées pour obtenir le jus sucré qui partira à la fermentation. La canne à sucre est la plante sucrière qui présente le meilleur potentiel alcooligène. Les principaux résultats, rassemblés dans le tableau ci-dessous, montrent qu entre 4 et 8 m 3 d éthanol peuvent être générés par la culture d un hectare de ces plantes sucrières, soit entre 2 et 4 tep/ha (tep : tonne équivalent pétrole). Plante sucrière Rendement agricole t/ha Teneur en sucre de la plante Rendement éthanol l/t plante Rendement éthanol m 3 /ha Rendement énergétique tep/ha (%masse) Betterave 70-75 15 92 6,5-7 3,3-3,5 Canne à sucre 80-90 14-15 85 7-8 3,5-4 Sorgho sucrier 50-60 16 80 4-5 2-2,5 Figure 2 : Les rendements des plantes sucrières et leur potentiel alcooligène Une tonne de betteraves conduit à la production de 70kg d éthanol et de 54,5kg de pulpes sèches. Ces pulpes sont des produits intermédiaires de la transformation de la betterave en éthanol. Elles vont servir d engrais pour la saison suivante. La canne à sucre et le sorgho sucrier génèrent eux-aussi des produits intermédiaires. Le co-produit principal est la bagasse qui est une biomasse lignocellulosique et qui peut donc être à son tour transformée en éthanol. Mais elle est pour l instant utilisée à des fins énergétiques pour la fourniture d électricité et de chaleur au niveau de l usine.

- 16 - I.D. Les céréales, une autre voie de production de l éthanol [1] Intéressons nous maintenant du côté des plantes amylacées. Le but des premières transformations est d obtenir de l amidon pour ensuite passer à la fermentation. Deux procédés existent : le wet milling et le dry milling. Quelques différences existent entre les 2 procédés. En effet, avec le wet milling, on trempe le grain et on récupère plusieurs sous-produits, comme des fibres et des protéines, en plus de l amidon. Alors qu avec le dry milling, le grain reste sec et on le traite entièrement. La transformation est directe. On ne crée pas de coproduit. Les fibres et les protéines récupérées grâce au wet milling sont utilisées pour l alimentation animale. C est au moyen de minimiser les pertes dues aux diverses transformations qui s accumulent tout au long du procédé de conversion de la plante céréalière en éthanol. Parmi le blé, l orge et le maïs, c est cette dernière céréale qui a le plus fort contenu en amidon, et donc le plus fort potentiel de production d éthanol. Les rendements des récoltes céréalières pour les cultures du blé, du maïs et de l orge sont récapitulés dans le tableau suivant. Céréale Rendement agricole t/ha Teneur en amidon du grain Rendement éthanol l/t plante Rendement éthanol m 3 /ha Rendement énergétique tep/ha (%poids) Blé 7,2-8,3 62-65 370 2,7-3,1 1,4-1,6 Maïs 7,2-8,5 72 400 2,9-3,4 1,5-1,7 Orge 5-7 56-59 320 1,6-2,2 0,8-1,2 Figure 3 : les rendements des récoltes céréalières et leur potentiel alcooligène

- 17 - Aux céréales mentionnées ci-dessus, il faut ajouter la pomme de terre dont le rendement est voisin de 4m 3 d éthanol/ha, et le manioc dont la teneur en amidon est de 66% en masse. A partir de cet amidon, on peut fabriquer 370 l d éthanol/t de manioc. Pour une tonne de blé, on produit 370 l d éthanol et 370kg de drèches. Avec la même quantité de maïs, on fabrique 400 l d éthanol et 320kg de drèches. Les drèches sont les co-produits de la conversion des céréales en éthanol. Elles sont utilisées pour l alimentation animale. I.E. Développement actuel de la filière lignocellulosique [1] [14] Depuis peu, la Suède et la Finlande développent un nouveau processus de fabrication de bioéthanol. Ces pays comptent transformer la biomasse lignocellulosique telle que le bois ou l herbe pour obtenir l alcool. L avantage de cette technique est qu elle n interfère pas avec le domaine de l agroalimentaire. De plus, aucun produit secondaire n est produit alors que les deux procédés vus précédemment génèrent des sous-produits utilisés pour l alimentation animale qui est pourtant saturée. Pour la majorité des espèces végétales, la biomasse lignocellulosique se compose de cellulose, d hémicellulose et de lignine. La cellulose présente sous forme de longues chaînes de glucose (monosaccharide à six atomes de carbone (hexose)) est le principal constituant des parois cellulaires chez la plupart des plantes. Ces chaînes de glucose sont organisées en faisceaux cristallins. Les différentes molécules de cellulose sont reliées entre elles grâce à une autre molécule : l hémicellulose. Cette molécule est une chaîne de sucres à cinq atomes de carbone (pentose). La lignine permet de lier les faisceaux de cellulose entre eux mais n est pas convertie en éthanol.

- 18 - Figure 4 : Structure de la biomasse lignocellulosique Selon la biomasse envisagée, les proportions des trois constituants diffèrent. Voici un tableau indiquant les teneurs moyennes (en pourcentage de la matière sèche) en cellulose, hémicellulose et lignine de divers types de biomasse lignocellulosique. Biomasse Cellulose Hémicellulose Lignine Herbe 30-50% 15-40% 5-20% Bagasse 40-55% 25-40% 5-25% Bois dur 40-50% 20-30% 15-30% Bois tendre 40-55% 10-15% 25-30% Résidus agricoles 30-40% 10-40% 10-30% Moyenne 40-60% 20-40% 10-25% Figure 5 : Teneur de la biomasse en cellulose, hémicellulose et lignine Une première étape, une réaction d hydrolyse, permet de libérer les sucres simples présents dans la cellulose et l hémicellulose grâce à des enzymes. Ensuite, on convertit ces sucres en éthanol au moyen d une fermentation traditionnelle. Voici les réactions de transformation de la cellulose et de l hémicellulose : Cellulose Glucose (sucre C6) Ethanol + CO 2

- 19 - Hémicellulose Xylose (sucre C5) Ethanol + CO 2 Une fois que la lignine est libérée, ellle peut servir à la conversion en éthanol de la cellulose et de l hémicellulose. La transformation de la biomasse lignocellulosique est une vraie opportunité pour le développement des biocarburants. Néanmoins, plusieurs barrières se dressent sur le chemin de la biomasse lignocellulosique : Contraintes sur les surfaces disponibles, sur la main d œuvre disponible Contraintes sur les procédés de fabrication et sur la logistique Contraintes environnementales Contraintes législatives : il faut élaborer des lois pour assurer l utilisation durable des ressources lignocellulosiques Contraintes économiques : il faut rendre la filière lignocellulosique compétitive par rapport aux énergies fossiles Une part importante de la biomasse lignocellulosique est utilisée par les industries soit à des fins énergétiques, soit comme matière première pour la chimie. Il faut donc prendre en compte qu il peut y avoir de la concurrence dans l utilisation de la biomasse lignocellulosique. I.F. [11] Deux étapes fondamentales du processus de conversion[1] L éthanol est produit par voie biologique. Ce sont des levures et des bactéries qui vont convertir le sucre en éthanol durant la fermentation. Le rendement maximal de conversion correspond à la production de 48,4 g d alcool à partir de 100 g de glucose. Plusieurs levures sont connues pour la capacité à fermenter mais les plus intéressantes restent les levures du genre Saccharomyces. Ce genre de levures

- 20 - présente plusieurs avantages tels qu une tolérance à de fortes concentrations en éthanol, la possibilité de fermenter les sucres à des ph acides et elles sont aisément séparables du milieu de culture grâce à leur petite taille. La levure S. cerevisiae présente l un des meilleurs potentiels de fermentation. C est pour cela qu elle est très utilisée. Pour le procédé de transformation, on dispose diverses cuves de fermentation qui communiquent entre elles. Actuellement, le besoin d améliorer les rendements et de produire de l éthanol tout au long de l année nous oblige à effectuer l étape de fermentation en continu alors qu avant les sucreries ne tournaient que 3 à 4 mois par an. Pour le sucre provenant des plantes céréalières, il est même question de réaliser simultanément les étapes de saccharification et de fermentation par l intermédiaire d une levure spéciale. Ceci permettrait d éviter l accumulation du glucose dans le milieu de culture. On diminue également le risque de contamination par des micro-organismes car le temps de séjour du sucre est très faible. La fermentation est une réaction exothermique qui dégage 1,2MJ/kg d éthanol produit. Figure 6 : Cuve de fermentation

- 21 - Une tour de distillation est en métal inoxydable et est haute de 42m (dans l Aube). Par un système de chicanes à l intérieur de la colonne et par le gradient de température, on isole l alcool dans la partie supérieure de la colonne. L alcool titre maintenant à 92. Il reste encore des impuretés dont le point d ébullition est proche de celui de l alcool. A la fin de cette étape, on obtient le flegme ou alcool brut. On ne peut voir à aucun moment l alcool dans tous ces conduits. Figure 7 : Colonne de distillation On récupère à la base de la tour de distillation l eau, les levures mortes et des aliments non consommés par les levures. Cette récupération servira d engrais pour la saison suivante. La dernière partie de ce processus industriel est la rectification. Celle-ci permettra de purifier l alcool brut. L installation nécessaire à cette purification se compose de plusieurs colonnes. Tout d abord, la partie moyenne de la colonne d hydrosélection reçoit l alcool. Cette colonne est chauffée par le bas et reçoit une douche d eau à la partie supérieure. On isole ainsi les produits dont les points d ébullition sont les plus bas : alcools supérieurs, méthanol, acétate d éthyle etc. Ces produits seront utilisés pour la fabrication de produits type lave-glace ou pour l élaboration de l alcool à brûler. L alcool à 18 est récolté dans la partie inférieure de la colonne, mais des impuretés subsistent encore. Cet alcool est ensuite amené dans

- 22 - la colonne de rectification. On isole les produits sur trois niveaux. En haut, on récolte l éthanol à 96 mais aussi du méthanol dont le point d ébullition est très proche de celui de l éthanol (76 C et 78 C). Les produits «indésirables» ou fusels utilisés dans l alimentation ou dans la parfumerie se trouvent dans la partie centrale. Enfin, à la base de la colonne, on retrouve de l eau très pure. Cette eau est redirigée vers la douche de la première colonne ou bien vers les stations d épuration. La dernière étape consiste à séparer le méthanol et l éthanol. Elle se déroule dans une colonne de déméthanolage. On récupère l éthanol à 96 dans la partie inférieure. Cet éthanol contient 0,5 g/hl de méthanol. Sur le site des Buchères, la production d alcool est de 1000 hl/jour. Cet éthanol se trouve sous forme liquide à la fin du processus de fabrication. I.G. Problèmes liés aux récoltes de betteraves et de cannes à sucre [10] Le bioéthanol est un carburant de nouvelle génération. On le voit comme un carburant vert, c est-à-dire qu on le considère comme peu polluant. Ceci reste à vérifier. De part la jeunesse de cette nouvelle technologie, on ne peut pas réellement connaître son impact sur la pollution en comparaison au pétrole sur le long terme, même si quelques études montrent que le bioéthanol pollue moins que l or noir. Toute la chaîne de production doit être analysée pour que le bioéthanol soit pris au sérieux en tant que carburant du futur. Nous allons donc examiner ici quelques aspects du processus de l obtention de l éthanol pour vérifier si l alcool est vraiment «vert». Tout d abord, l étape de la récolte montre quelques faiblesses du point de vue environnemental. En effet, pour obtenir les rendements les plus élevés possibles, on arrose les champs d engrais chimiques et pour récolter la betterave on se sert de machines qui bien entendu roulent à l essence. De plus, avant de couper la canne à sucre, on brûle le champ pour faciliter la coupe. Ainsi les ouvriers augmentent le rendement de leur récolte et par conséquent

- 23 - leur salaire est plus élevé. Mais le problème est qu en brûlant, on diminue la qualité de la canne à sucre et on affecte de diverses manières l environnement : Destruction de substance organique Dégradation de la structure du sol dû au dessèchement Aggravation de l érosion Pollution de l air par émission de fumée et de cendres volantes Enfin, la détermination de la teneur en sucre de la betterave et de la canne s effectue grâce à de l acétate de plomb qui est un réactif polluant alors que l on pourrait très bien utiliser du chlorure ou du sulfate d aluminium, qui eux ne polluent pas. Le transport permettant la liaison entre les champs et les usines de transformation se fait à l aide de véhicules roulant encore une fois à l essence. Les procédés de fabrication ont besoin d énergie pour se déclencher et se réitérer. Et quelles énergies sont donc utilisées? Et oui ce sont toujours ces mêmes énergies fossiles. Peut-être qu en roulant, la voiture fonctionnant au bioéthanol rejette moins de gaz à effet de serre. Mais le processus de fabrication de l énergie verte n est pas forcément le plus économique en termes d énergie et le plus sain pour l environnement.

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- 25 - PARTIE II : LE BIOETHANOL, L ESSOR D UN NOUVEAU CARBURANT

- 26 - Dans un premier temps, il est nécessaire d introduire une nomenclature propre au bioéthanol. La majorité des carburants contenant du bioéthanol est en réalité un mélange entre le bioéthanol et l essence pur. Suivant les pays et les législations en vigueur, le carburant contient alors différentes proportions de bioéthanol. On adopte alors la convention suivante : On les désigne par la lettre E suivie du pourcentage de bioéthanol dans le carburant. Le bioéthanol pur est ainsi appelé E100. On trouve ainsi du E5, E7, E10, E15, E20, E85, E95, E100 en fonction du pays dans lequel on se trouve et de l'utilisation que l'on veut en faire. II.A. Les moteurs actuels [1] [5] [15] L'usage du bioéthanol pur dans les véhicules n'est pas possible dans notre parc automobile actuel. Les caractéristiques de l'alcool sont en effet trop éloignées de celles de l'essence pour que les moteurs fonctionnent sans problème. Cependant, lorsque le bioéthanol est mélangé dans une proportion de 5 à 10% à l essence, les constructeurs automobiles assurent que les moteurs essence actuels peuvent fonctionner avec ce type de carburant sans qu aucune modification ne soit nécessaire. On pourra alors utiliser des carburants tels que l E5, E7 ou E10. En effet, au-delà du seuil de 10%, des problèmes peuvent apparaître. Par exemple, les durits et les joints ou même le réservoir ne sont pas conçus pour résister à l'attaque de l'alcool qui est plus corrosif que l essence. Quant à l'électronique d'injection et d'allumage, il devrait être programmé différemment puisque rajouter du bioéthanol à l essence modifie les propriétés du carburant. Néanmoins, les véhicules existants ne peuvent pas être adaptés pour fonctionner à long terme avec une proportion de bioéthanol dans le carburant supérieure à 10%. Ainsi, bien que l on entende fréquemment parler de «puces» ou d «adaptateurs» à installer sur les véhicules pour qu ils fonctionnent au bioéthanol, ces pratiques sont fermement déconseillées par les constructeurs. En plus d une perte de garantie, le véhicule ainsi modifié aurait une durée de vie moindre à cause d une non compatibilité avec l utilisation de l alcool en grandes proportions.

- 27 - II.B. L expérience du 100% bioéthanol au Brésil [1] [5] Les constructeurs ont alors décidé de développer de nouveaux véhicules capables de fonctionner avec un carburant contenant une part de bioéthanol supérieure à 10 %. Il s agissait donc principalement de s assurer que les matériaux utilisés pouvaient résister aux attaques corrosives du bioéthanol ainsi que de changer le point d allumage du moteur. Les premiers à expérimenter à grande échelle le bioéthanol furent les Brésiliens. Dans les années 70, le brésil répond aux chocs pétroliers de 1973 et 1978 par le plan «Proalcool» de production d éthanol à partir de cannes à sucre. On a donc vu se développer au Brésil toutes sortes d utilisations du bioéthanol comme carburant allant même jusqu à l utilisation du bioéthanol pur dans les moteurs. Les Brésiliens se sont alors confrontés à un problème technique sérieux. L éthanol pur a en effet une très faible volatilité, ce qui rend difficile les démarrages à froid. Il avait donc fallu aux Brésiliens trouver des solutions techniques. Parmi cellesci, la plus largement diffusée est le chauffage du système d injection, et tout spécialement de la rampe d injection, et l utilisation d un second réservoir de carburant contenant une essence très volatile utilisée pour démarrer le moteur durant quelques secondes, avant de passer à un fonctionnement au bioéthanol. C est donc pour cela que les constructeurs ont décidé de développer une nouvelle technologie : les moteurs dits «Flex-fuel» ou encore «Flexifuel».

- 28 - II.C. Les moteurs Flex-fuel ou VCM [1] [5] «Flex-fuel» (ou VCM, Véhicule à Carburant Modulable) est le nom donné aux véhicules spécialement conçus pour fonctionner indifféremment au E85, également appelé Superéthanol E85 et/ou au Super sans plomb classique. Ainsi le propriétaire de la voiture n est plus dépendant des pompes fournissant du bioéthanol. Il peut tout aussi bien faire le plein d essence classique s il le désire. Plus précisément, les véhicules Flex-fuel sont capables d adapter automatiquement leur fonctionnement pour tout mélange d essence et d éthanol pur. Ce sont en pratique des véhicules dotés de moteurs essences équipés de dispositifs d injections, de capteurs électroniques spécifiques qui détectent la nature du carburant utilisé pour ensuite adapter le fonctionnement du moteur en conséquence. A tout moment, un capteur «intelligent» est capable de détecter la proportion de bioéthanol dans le carburant. Ainsi, les véhicules Flex-fuel peuvent fonctionner avec du carburant dont les proportions de bioéthanol peuvent aller de 0 à 85 %. C est aujourd hui la technologie que privilégient les constructeurs automobiles car elle assure aux consommateurs le choix quant au mode de carburation suivant les fluctuations du prix de l essence et du bioéthanol. II.D. L E85, des proportions bien choisies [1] [4] [19] Alors pourquoi arrive-t-on à un carburant avec 85% de bioéthanol? Jusqu à présent, la proportion de bioéthanol dans le carburant est limitée à 85%, c est-à-dire l E85, ou Superéthanol. Le taux d'incorporation de bioéthanol est surtout dicté par la nécessité de contrôler la volatilité du carburant.

- 29 - Figure 8 : Logo de l E85 aux couleurs du Brésil En effet, la volatilité (tension de vapeur) est un paramètre important : Si elle est trop basse, le démarrage à froid devient impossible. Mais si elle est trop élevée, il apparaît des émissions excessives dans l environnement par temps chaud (évaporation par le canister du réservoir et saturation du filtre) L incorporation directe d éthanol à faible teneur nécessite des bases essences spécifiques. L éthanol est très volatil lorsqu il est fortement dilué (pour l E5 par exemple). Il est donc nécessaire d utiliser des bases essences à faible volatilité. Ce type de problème ne se présente pas pour l'e85 car le bioéthanol est moins volatile que l essence lorsqu il est concentré. De plus, il est nécessité de conserver au moins 15% d essence ou plus pour assurer le démarrage à froid. Teneur en éthanol variable suivant les conditions climatiques et les saisons (plus basse en hiver). Au Brésil, le climat est plus favorable pour les démarrages à froid mais cela n explique pas complètement pourquoi ils peuvent rouler à l éthanol pur. On rappelle ici qu en cas de nécessité, leurs voitures possèdent des pompes d injection d essence pour aider au démarrage.

- 30 - II.E. Le développement du bioéthanol dans le monde [2] [4] [8] En 2005, la production mondiale de bioéthanol dépassait les 450 millions d'hectolitres (MhL). Le Brésil et les Etats-Unis assuraient à eux seuls près des trois quarts de la production mondiale. Figure 9 : Production mondiale d alcool entre 2000 et 2005 dans le monde Aux Etats-Unis (148 Mhl en 2005), la production de bioéthanol augmente considérablement tous les ans depuis 2001. Cette production devrait doubler d ici 2010 pour dépasser les 300 MhL. Au Brésil (149 Mhl en 2005), 75% des voitures neuves vendues étaient, en 2005, de type Flex-fuel contre 3% en 2003. Au sein de l Union Européenne à 25, si la France est la première productrice d alcool, c est l Espagne qui est aujourd hui le premier producteur de bioéthanol destiné à la carburation.

- 31 - Figure 10 : Production d alcool dans l Union Européenne II.F. Le Flex-fuel, un succès grandissant [2] [4] La filière Flex-fuel est déjà largement développée et suscite un intérêt croissant au niveau international. Plusieurs pays sont engagés dans le développement de carburants à haute teneur en éthanol. La carte suivante permet un rapide tour d horizons du bioéthanol dans le monde. Figure 11 : Développement de la filière Flex-fuel dans le monde

- 32 - Les ventes mondiales en 2006 de véhicules Flex-fuel sont estimées à plus d 1,5 million de véhicules. Environ 8 millions de véhicules Flex-fuel sont en circulation. Figure 12 : Présence des véhicules Flex-fuel dans les 3 principaux pays utilisateurs de cette technologie L'offre des constructeurs est déjà très complète. Au Brésil, pratiquement tous les constructeurs implantés localement proposent des modèles Flex-fuel (Fiat, Ford, General Motors, PSA, Renault, Volkswagen). Aux Etats-Unis, 8 constructeurs commercialisent des véhicules Flex-fuel ( Chrysler (5 modèles), Ford (7 modèles), General Motors (4 modèles), Isuzu (1 modèle), Mazda (1 modèle), Mercedes (2 modèles), Mercury (2 modèles), Nissan (1 modèle). Quant à la Suède, des modèles Flex-fuel sont proposés par Ford, Saab et Volvo.

- 33 - PARTIE III : DES ATOUTS A TOUS LES NIVEAUX

- 34 - III.A. Le bioéthanol, un carburant digne du développement durable [7] [8] Contrairement aux énergies fossiles, le bioéthanol est issu des végétaux et offre ainsi une source d énergie qui se renouvelle chaque année, récolte après récolte. Au contraire, en ce qui concerne le pétrole qui est une énergie fossile, nous puisons dans une source enfouie dans nos sols depuis des millions d années qui ne peut se régénérer. Le principal atout environnemental du bioéthanol est le suivant : La substitution d une tonne d essence par une tonne de bioéthanol réduit de 75% les émissions de gaz à effet de serre. Le CO 2 dégagé lors de la combustion du bioéthanol est le même que celui que la plante avait puisé précédemment dans l atmosphère pour sa croissance, il ne participe donc pas (ou peu) à l augmentation de l effet de serre. Cependant, il faut bien prendre en compte que pour l agriculture, il faut par exemple faire fonctionner des tracteurs et autres machines agricoles qui rejettent du CO 2. Ce constat est donc à nuancer et mérite de plus amples études. D une certaine manière on peut alors en théorie parler de «bon» et de «mauvais» CO 2 : Le «bon» CO 2 : Les plantes utilisées pour produire le Superéthanol E85 absorbent naturellement du dioxyde de carbone pour leur croissance. La plupart de la quantité de CO2 rejetée par un véhicule roulant au Superéthanol E85 est celle qui a été fixée sur les plantes ayant servi à la production de ce même bioéthanol : Il existe donc un cercle vertueux autour du «bon» CO 2. Le «Mauvais» CO 2 : Il vient s ajouter à celui déjà présent dans l atmosphère. En puisant dans les sols une ressource enfuie depuis des millions d années et en la rejetant dans l atmosphère par le biais de la combustion de l essence, nous ajoutons du dioxyde de carbone qui contribue à l effet de serre.

- 35 - Figure 13 : Illustration du bon et du mauvais CO 2 Pour résumer, le fait que la combustion de l éthanol émette du gaz carbonique (CO 2 ) est compensé par l absorption préalable de CO 2 par les plantes qui le composent. Le bioéthanol possède donc le profil d un carburant digne du développement durable. III.B. La pollution, un bilan favorable [1] [4] [8] En 2006, le département de la Marne a conduit une expérimentation sur le Flex-fuel. Cette expérimentation a été réalisée en partenariat avec l'institut français du pétrole (IFP) et l'agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie (ADEME). Les tests réalisés sur les véhicules (à partir de cycles normalisés) concluent à : - Une nette réduction des polluants les plus importants (CO, NOx) - Une stabilité des émissions brutes de CO2 - Une réduction des émissions de benzène - L'apparition d'une faible quantité d acétaldéhyde, résultat d une oxydation partielle du bioéthanol

- 36 - Figure 14 : Bilan des émissions des différents polluants

- 37 - Sur la base de l'expérimentation conduite dans le département de la Marne, l'institut français du pétrole a conclu à un fort avantage environnemental de l'e85. «Les essais menés sur le premier véhicule FFV du conseil général de la Marne ont montré que l'utilisation du E85 permet une substantielle diminution des émissions de CO et de NOx. Les possibilités d'optimisation des stratégies de contrôle moteur liées aux caractéristiques de l'éthanol pourraient conduire à expliquer la réduction des émissions de CO 2 rencontrée ici. Les émissions de benzène et de 1,3-butadiène, molécules classées comme toxiques par l'epa sont également fortement diminuées. Seules les émissions d'acétaldéhyde, molécule provenant d'une oxydation partielle de l'éthanol et classée comme toxique par l'epa ont été augmentées. Une optimisation du système de post-traitement et des stratégies de mise en action de celui-ci pourraient fortement limiter cette augmentation.»

- 38 - III.C. Vers une réduction des gaz à effet de serre [4] [8] Les biocarburants, et en particulier le bioéthanol, réduisent l émission de gaz à effet de serre. L effet bénéfique sur les émissions s évalue grâce à un bilan global sur l effet de serre, de la production à l utilisation du produit. En effet, selon leur nature, les biocarburants présentent un rendement énergétique à l hectare différent et agissent avec plus ou moins d intensité sur l effet de serre. Le développement des biocarburants doit donc s accompagner d un mode de production compatible avec la protection de l environnement. Outre le CO2, il convient notamment de prendre en compte dans les calculs les quantités de protoxyde d'azote (N2O) et de méthane (CH4) émises aux différentes étapes du processus de production de l'éthanol ou des combustibles fossiles (Extraction et raffinage des combustibles fossiles utilisés comme intrants, production des matières premières végétales, processus industriel de transformation, etc.) La plupart des études convergent sur un avantage du bioéthanol sur les combustibles fossiles du point de vue des émissions de gaz à effet de serre. D'après l'étude présentée ci-dessous, le gain net en termes d'émissions de gaz à effet de serre est de 60% par rapport à l'essence. Figure 15 : Bilan des émissions de gaz à effet de serre

- 39 - III.D. Une baisse du coût pour le consommateur [4] Pour juger du coût du bioéthanol par rapport à l'essence (sans plomb 95), il faut raisonner en terme de prix TTC de ces deux produits à la pompe. En effet, il est primordial de savoir si l utilisation du bioéthanol aura un impact sur le portefeuille des consommateurs. Pour ce, il faut comparer les prix à énergie fournie égale et non à volume identique, compte tenu de la différence en contenu énergétique des deux produits pour un même volume. On aboutit ainsi à des prix en par Giga Joule (GJ) et non par hectolitre (Hl). Pour que les différences de régime fiscal des deux produits ne viennent fausser la comparaison, le calcul intègre des niveaux de taxation identiques par GJ. Selon ce mode de comparaison et sur les bases actuelles de la production de bioéthanol en France (c est-à-dire que les unités de production sont actuellement de petite taille) le prix TTC du bioéthanol s'élève à 51,8 /GJ, contre 41,69 /GJ pour le sans plomb 95 (prix actuel, également). Soit un écart de +24,2 %. Cependant, entre une filière à ses débuts et une filière ayant atteint sa maturité, il existe un écart notoire. Comme pour toute technologie récente, il faut donc voir sur le long terme. Aux Etats-Unis par exemple, avec des unités de production 8 fois supérieures en taille aux unités françaises et 30 ans d'une montée en puissance constamment appuyée par le Gouvernement fédéral et les Etats fédérés, la filière bioéthanol fournit au consommateur un produit qui lui coûte 16,45 /GJ HT. En France, le chiffre correspondant est aujourd'hui de 24,91 / GJ. Avec des usines de grande capacité, telles qu'il est maintenant projeté d'en construire selon les réponses aux appels d'offre lancés par le Gouvernement, la filière française s est fixée pour objectif d'atteindre en 15 ans le même niveau de performance que son homologue américain. Sur cette nouvelle base, le prix TTC du bioéthanol baisserait à 41,68 /GJ TTC et égalerait celui du sans plomb 95.

- 40 - Cette étude ayant été réalisée avec des modes de taxation identiques, il faudrait bien entendu prendre en compte l aide au développement du bioéthanol que le gouvernement fournirait grâce à une baisse de la taxation du bioéthanol. Ainsi, le coût du bioéthanol à la pompe serait encore réduit par rapport au prix de l essence. A cela vient également s ajouter une hausse des prix des véhicules Flex-fuel par rapport aux véhicules actuels. Le surcoût actuel pour s équiper d une motorisation Flex-fuel au lieu d une essence classique varie de 200 à 1000, coût qui dépend encore une fois en partie des pouvoir publics.

- 41 - III.E. Vers une indépendance énergétique [7] Les biocarburants constituent la seule alternative crédible à court et moyen terme à la dépendance envers le pétrole et permettent de faire d importantes économies d énergie fossile du fait de leurs bons rendements énergétiques. Ainsi, grâce à ces résultats, la filière des biocarburants constitue une nouvelle source d approvisionnement énergétique et participe à réduire la dépendance de la France et de l Europe envers les ressources fossiles. Elle est essentielle au développement de la politique de «mix-énergétique», c'est-à-dire de diversité de sources énergétiques. Le livre vert européen sur la sécurité des approvisionnements propose d ailleurs de substituer, d ici à 2020, 20% des carburants traditionnels par d autres sources d énergie comme les biocarburants, le gaz naturel ou l hydrogène. L utilisation de la biomasse comme source d énergie dont la voie la plus avancée est la production de biocarburants, s inscrit dans cette politique de développement durable, c'est-à-dire un développement équilibré sur le plan économique social et environnemental. Bien entendu, l indépendance énergétique implique de ne pas substituer une source d approvisionnement extérieure par une autre. Il importe donc de développer une production domestique de biocarburants à l échelle européenne, et notamment française afin de ne pas dépendre de la production brésilienne ou américaine. De plus, l avantage de cette matière première par rapport au pétrole est son renouvellement à chaque récolte. Les sources pour produire le Bioéthanol sont diverses et encore en développement. En effet, la filière lignocellulosique commence à peine à se développer et elle a des atouts à faire valoir, comme par exemple le fait qu on puisse extraire dans le bois des composants nous permettant de produire du bioéthanol.

- 42 - III.F. Le bioéthanol, une filière génératrice d emplois [7] En tant que première puissance agricole de l Union Européenne, la France dispose d atouts multiples pour développer une filière bioéthanol compétitive. Cette démarche s inscrit en totale cohérence avec la volonté européenne de renforcer l indépendance énergétique de l Union Européenne. Elle contribue également à la création d un nouveau gisement d emplois. La production française de bioéthanol est fortement créatrice d emplois dans la filière agricole et agro-industrielle. Il s agit principalement d emplois ruraux sur des territoires où le tissu industriel est en général faible. De plus, l approvisionnement agricole mutualisé des usines répartit les effets économiques positifs sur l ensemble des régions françaises. Une étude (Etude PriceWaterHouseCoopers conduite en 2003 et 2004) démontre également que la production de bioéthanol est plus génératrice d'emplois que celle des carburants fossiles : 1 000 tonnes d'éthanol représentent entre 3 et 6 emplois selon les modes de production, contre 0,01 emploi pour 1 000 tonnes d'essence. Les débouchés non alimentaires de la betterave, du maïs et du blé, sont une réponse à une attente et à un besoin de la société. Le développement des biocarburants est une nécessité aussi bien pour l environnement que pour l indépendance énergétique européenne. En ce qui concerne le blé, le débouché bioéthanol reste minoritaire (2 millions de tonnes) face aux plus de 63 millions de tonnes de céréales produites annuellement destinées à l alimentation du bétail, la meunerie, l exportation, l amidonnerie Ces débouchés non alimentaires n entrent donc pas en concurrence avec les débouchés alimentaires. De la même façon, la betterave à sucre «alimentaire» est cultivée sous quota.

- 43 - Le règlement sucre européen en vigueur depuis 2006 prévoit une diminution de la production de sucre de la part des producteurs européens, ce qui aura pour conséquence de libérer des terres au profit de la production d éthanol. Enfin, les terres actuellement en jachères constituent un réservoir de surfaces potentiellement mobilisables pour la production de cultures à vocation énergétique. III.G. Un réseau de distribution compatible [7] Le bioéthanol est actuellement la seule alternative à l essence capable de se mettre en place immédiatement sans avoir à effectuer de modifications notables concernant le mode de distribution du carburant (contrairement à l hydrogène ou l électricité par exemple).

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- 45 - PARTIE IV : LA FRANCE ET LA FILIERE BIOETHANOL

- 46 - IV.A. La présence encore discrète du Bioéthanol en France [6] [20] [21] Selon les directives européennes, les carburants devraient incorporer au minimum 2% de biocarburants. Or, en France, ce pourcentage n est pas atteint actuellement. Pour pouvoir assurer cette incorporation, il faut donc que les installations de bioéthanol suivent. Tout d abord, le projet de construction de 6 usines de production de bioéthanol pour 2008 commence à prendre forme avec l ouverture de l usine de TEREOS (92) en 2006. Figure 16 : Emplacement des 6 nouvelles usines de production pour 2008 Ensuite, après la production de l alcool, celui-ci doit pouvoir être distribué aux consommateurs. L ouverture de la première pompe d E85 en juin 2006 à Chalons en Champagne offre de nouvelles perspectives pour le biocarburant. Une étude de 12

- 47 - mois sur l E85 est menée dans le département de la Marne depuis le mois de juin dernier. Le Conseil Général de la Marne possède donc la première flotte de véhicules Flex-fuel. Figure 17 : L un des véhicules de la flotte Flex-fuel de la Marne Depuis le 1 er janvier 2007, la commercialisation du Superéthanol aux particuliers est officiellement autorisée. De plus, l état a réduit sa taxation sur les biocarburants, ce qui favorise le développement de la filière des biocarburants. Actuellement, 18 pompes d E85 sont ouvertes et 80 pompes devraient pouvoir distribuer du Superéthanol d ici peu. D ici à la fin de cette année, il est prévu d installer entre 500 et 600 points de vente sur l ensemble du territoire français. Disposant de ces nouvelles infrastructures, il faut maintenant pouvoir les utiliser grâce aux nouveaux véhicules équipés d un moteur Flex-fuel. De plus en plus de constructeurs vont mettre sur le marché des véhicules Flex-fuel. Le surcoût actuel pour s équiper d une motorisation Flex-fuel au lieu d une essence classique varie de 200 à 1000. Un véhicule roulant à l E85 consomme entre 15 et 30% de plus qu un véhicule traditionnel car la densité énergétique de l éthanol est plus faible. Néanmoins, l E85 reste plus avantageux que le Sans plomb car le prix à la pompe oscille de 0,79 à 0,85 pour un litre d E85 alors qu un litre de SP95 tourne autour de 1,25.

- 48 - IV.B. La politique française actuelle et ses ambitions [3] [16] En matière d incorporation des biocarburants dans les carburants, la France devance les objectifs de la directive européenne qui préconise un taux d incorporation de biocarburant de 5,75% dans les carburants. En effet, le taux d incorporation français serait de 5,75% en 2008, 7% en 2010 et 10% en 2015. L entrée du bioéthanol dans le monde politique en dates clés : Le 21 novembre 2005, une Table Ronde interministérielle industrie/agriculture organisée en présence de pétroliers et de représentants de la filière bioéthanol a permis d ouvrir le dialogue, d aboutir à des accords de partenariat, de soutenir le développement de nouveaux biocarburants pour atteindre les objectifs d incorporation. Le 31 mai 2006, un arrêté paru au Journal Officiel du 1er juin 2006 a reconnu le Superéthanol E85 comme carburant. Le 7 juin 2006, une table ronde sur le «développement des biocarburants en France» présidée par Thierry Breton conjointement avec François Loos et Dominique Bussereau a réuni les agriculteurs, les acteurs du monde pétrolier et ceux du monde automobile. Le groupe de travail flex-fuel 2010 a été créé : Thierry Breton a confié à Alain Prost le pilotage du groupe de travail en charge du plan flex-fuel 2010. Le groupe a présenté ses résultats le 26 septembre 2006. Le 1er janvier 2007, la commercialisation des biocarburants était officiellement autorisée, et de nombreux distributeurs de carburant se sont engagés à installer des pompes de distribution de ce nouveau carburant (500 à 600 points de ventes avant fin 2007). Ils ont signé la «charte pour le développement de la filière Superéthanol E85», fruit du groupe de travail présidé par Alain Prost. Le 15 février 2007, le Conseil des 27 ministres européens de l Energie s est prononcé pour un objectif contraignant, dans les pays de l UE, de 10 % de

- 49 - biocarburants dans la consommation des carburants consommés (essence et diesel) par les automobiles d ici à 2020. Le 2 mars 2007, nouvel élan donné par le gouvernement : Nelly Olin, ministre de l'écologie et du développement durable, a officialisé la distribution du Superéthanol en signant «l arrêté relatif à sa distribution».

- 50 - IV.C. Un problème de surfaces agricoles en France [10] Jean-Marc JANCOVICI, ingénieur, a mené une étude pour l ADEME, Agence de l'environnement et de la Maîtrise de l'energie, en 2003. Cette étude avait pour but d évaluer si les biocarburants pouvaient être indépendants du pétrole, et ainsi de voir si l on pouvait se passer des carburants d origine fossile. On estime qu il faudrait 50 Mtep (tep : tonnes équivalent pétrole) de biocarburants pour substituer les biocarburants au pétrole. L ingénieur montre qu il faudrait mobiliser 3 à 4 fois les terres agricoles françaises actuelles pour que l on puisse subvenir totalement aux besoins en biocarburants des transports. Pour aboutir à ce constat, il a pris en compte le fait qu on utilise le biocarburant tout au long de son processus de production. Voici un tableau dans lequel l ingénieur présente les chiffres qu il a obtenus, avec une comparaison possible avec les huiles de colza et de tournesol utilisées dans la production de biodiesel : Figure 18 : Evaluation de la capacité de production des biocarburants On remarque que la filière du blé n est pas celle qu il faut privilégier si on espère remplacer le pétrole par le bioéthanol. JANCOVICI ajoute que pour satisfaire 10% de la consommation actuelle des transports avec des biocarburants, on devrait mobiliser entre 30 et 40% des terres agricoles actuelles. Le bioéthanol fait partie des biocarburants, donc il ne peut pas à lui seul espérer prendre la place qu occupe le pétrole aujourd hui.