Biocarburants Les BtL : intérêts et enjeux Dr. Xavier Montagne Directeur Scientifique Adjoint IFP Journée GFC Biocarburants - Biocombustibles Rueil, le 13 février 2008 Olympiades de la chimie, 2008, XM
Agenda Contexte BioCarburants et directive européenne BioCarburants la première génération la seconde génération Perspectives 2
Les carburants alternatifs aujourd hui Les enjeux du secteur des transports Réduire la dépendance énergétique vis à vis du pétrole Réduire la pollution globale : gaz à effet de serre (CO 2, etc) Réduire la pollution locale due à l automobile : CO, HC, NO x, fines particules, O 3 Dans des conditions économiques acceptables Les biocarburants, une solution répondant à ces enjeux 3
Énergie dans les transport : quasi-exclusivement sur base pétrole Consommation mondiale d'énergie dans le transport routier en 2006 Au niveau mondial, le secteur transport : -dépend du pétrole à 96% -représente plus de 50 % de la consommation de pétrole 58,6% 37,7% Production mondiale d'éthanol carburant en 2006 : 31,3 Mt (90% Etats-Unis et Brésil) Production mondiale d'emhv en 2006 : 6 Mt (85% Europe) 1,7 GTEP 3,7% Essence Gazole Biocarb. GPL GNV 49,5 MTEP 1,5% 1,1% 1,1% 4
Evolution tendancielle de la demande d'énergie dans les transports Monde : Augmentation de 50 % de la demande de carburants à l'horizon 2030 - gazole : + 45 %, - essence : + 45 % - kérosène : + 60 % 5 France : Sources : "Mobility 2030", WBCSD ; "Étude pour une prospective énergétique concernant la France", 2005, Observatoire Véolia XM- de janvier l'énergie 200 / DGEMP Mtep / an Essence Gazole Jet-fuels 70 60 50 40 30 20 10 0 1990 2001 2010 2020 2030
Contexte énergétique : Les enjeux du secteur des transports Réduire la dépendance énergétique vis à vis du pétrole Réduire la pollution globale : gaz à effet de serre (CO 2, etc) Consommation des véhicules et ACV des carburants Réduire la pollution locale due à l automobile : CO, HC, NO x, fines particules, O 3 Les étapes réglementaires EURO5, EUROE5+, EURO 6 6
Stratégie de réduction des émissions de CO2 des VP/VU vendus en Europe IP/07/155 Communication de la Commission Européenne 7/02/07 Cadre législatif pour réduire les émissions de CO2 des véhicules neufs d'ici mi- 2008 Émissions moyennes pour les nouveaux véhicules vendus dans l'ue-27 : 120g CO2/km en 2012. Améliorations des technologies véhicule : 130g/km, Mesures complémentaires via les composants (pneus, systèmes de climatisation), réduction progressive du contenu carboné des carburants via une plus grande utilisation des biocarburants : - 10g/km Émissions moyennes de CO2 pour les camionnettes 175g en 2012 et 160g en 2015,(comparé aux 201g en 2002) Cible pour la R&D : émissions moyennes de 95g CO2/km en 2020. Mesures pour promouvoir l'achat de véhicules économes en énergie dans les états-membres : affichage et taxes Code UE de bonne pratique sur le marketing et la publicité pour promouvoir des modes de consommation compatibles avec le développement durable 7
Directive ENR : version du 23 janvier 2008 (1) (source : document européen du 23/01/2008 a) Biofuels : biocarburants pour le transport b) Bioliquids : bioproduits liquides pour la production d'énergie 20% d'énergie renouvelable dans le mix énergétique en 2020 (variable selon les états - 23% pour la France). Chaque état membre devra mettre en place son propre plan national d'action qu'il transmettra à la commission avant le 31 mars 2010. Il sera tenu de faire un premier rapport de mise en oeuvre au 30/06/2011 puis un rapport tous les 2 ans. 10% énergie de biocarburants pour les transports en 2020 (5,75% énergie en 2010 directive 2003/30/CE). Pour ce point, il s'agira d'aller vers une stratégie de distribution identique dans tous les états membres.. 8
Directive ENR : version du 23 janvier 2008 (2) l'objectif de 5,75 % de biocarburants pour le transport ne devrait être atteint que fin 2011 (prévision de 4,2% fin 2010) utilisation du terme "Bioliquids" pour définir les produits liquides ex biomasse dédiés aux besoins "énergie". Biofuels définit les carburants gazeux ou liquides ex-biomasse pour le transport. le gain en CO2 lors de l'utilisation de Biocarburants/bioliquides doit être d'au moins 35% le taux de 10% volume de biocarburants est le taux maximum pour une distribution banalisée, tout taux supérieur devra faire l'objet d'un marquage. les biocarburants et énergies renouvelables impliquées auront leurs "certificats de garantie", 9
Les biocarburants : quel spectre aujourd'hui? Les principales options possibles Les biocarburants liquides Éthanol / ETBE Huile végétale v Pure (HVD ou HVP) : triglycérides rides Biodiesel : Esters d'acides gras HVO (NexBtL( NexBtL, GreenDiesel, biogazole de synthèse se) BtL : biomass to Liquid Autres produits (biobutanol( biobutanol, bio méthanolm thanol,,...) Les biocarburants gazeux Biogaz DME (CH3-O-CH3) CH3) H2 10
Les biocarburants : quel mode d'utilisation Aujourd'hui : transport routier et off-road Demain : route, air, Interchangeabilité Incorporation systématique de quelques % Applications spécifiques et dédiées Dans la limite des spécifications CE : E5, B5, F, D : E5, B7 vers B10, E10 Applications spécifiques : B30, FFV E85 (F, S) Moteurs dédiés CIDI et EtOH, DME 11
Le marché européen des carburants routiers Mtoe 200,0 Gasoline Diesel 160,0 120,0 80,0 40,0 en France en 2006 Gazole : 32 Mt Essence : 10,5 Mt 0,0 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 12
Le cas français Plan national plus ambitieux que celui de l'ue mise en application plus rapide cibles s'appliquent à l'essence et au gazole Biofuel content ( in energy ) 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2015 1,20% 1,75% 3,50% 5,75% 6,25% 7% 10% equivalence in FAME 1,3% 1,9% 3,8% 6,3% 6,8% 7,6% 10,8% ETBE 3,1% 4,5% 9,0% 14,8% 16,1% 18,0% 25,7% Ethanol 1,9% 2,7% 5,3% 8,8% 9,5% 10,7% 15,3% Cela nécessitera une révision de l'en590 (gazole) avant 2008 et de l'en228 (essence) avant 2009 pour les produits non étiquetés. Discussions sur B10 et E10. Pour B7, décret publié le 27/04/07 pour une application début 2008 E85 et FFV est le second moyen pour atteindre ces cibles 13
Biocarburants de 1ère génération Un volume limité et une concurrence avec le marché de l alimentaire CH 3 CH 2 0H C 18 H 36 COOCH 3 EMHA EEHV EMHV HDO : NexBtL, Green Diesel C n H 2n+2 14
Les ressources des filières actuelles: La biomasse agricole en Amérique et en Asie Céréales et saccharifères pour la production d'éthanol Canne à sucre au Brésil Maïs aux Etats-Unis Oléagineux et résidus gras pour biodiesel Soja aux Etats-Unis et au Brésil Palme en Asie Jatropha en Asie Huiles de friture 15
Production mondiale de biocarburants Production mondiale d'éthanol carburant en 2006 : 31,3 Mt 14% 1% 2% Production mondiale d'emhv en 2006 ~ 6 Mt. 44% 18% 8% Am. sud (Brésil) Asie Autres France 13% Italie États-unis Am. Nord (Etats-Unis) Europe Allemagne Autres Europe Brésil Autres 16
Les filières biocarburants de deuxième génération (G2) 1 t de M.S. ~ 0,2 tep Voie thermochimique : différents produits possibles à partir du gaz de synthèse (y compris carburants d'aviation) Voie biochimique : moins de contraintes de taille d'installation possibilité d'une ligne dédiée au sein d'une éthanolerie G1 17
Les nouvelles filières : générations 2 Gazéification : CO+H2 biocarburants synthétiques Hemicellulose 18 Lignine Cellulose Sucre : hydrolyses enzymatiques et fermentation (ethanol)
Les ressources des filières de demain La biomasse lignocellulosique existante Éclaircies, taillis et forêts privées sous exploités Zones de pentes peu mécanisées Rémanents et bois de rebut Haies bocagères Pailles 19
Biofuels IFP Esterfip H process In progress: research & process design 20
Bioethanol from lignocellululose structure of raw material 21
Bioethanol: the process Four main steps hemicellulose hydrolysis lignin Biomass Pretreatment lignin lignine Hydrolysis cellulose cellulose hémicellulose glucose Fermentation ethanol Anhydrous ethanol Distillation Drying 22
Ethanol Ethanol G1et G2 débouchés privilégiés pour moteur AC potentialités pour moteur diesel 23
L'utilisation sur véhicule : la filière éthanol (moteur AC) Bonne aptitude au mélange avec l essence - Europe : E5 aujourd'hui - États-Unis : E10 - Brésil : ~E25 - Brésil, États-Unis, (Europe) : E85+ Très bon indice d octane : moins de risques de cliquetis et potentiel d'optimisation fort Combustion avec un impact positif sur l environnement (local et global) en comparaison avec la combustion de l essence - HC, CO : - 5% à - 10% - Gain sur les émissions de CO 2 24
Autre alternative : l'éthanol pour moteur diesel Éthanol en mélange dans le gazole : miscibilité très faible, flash point, eau, pouvoir lubrifiant,.. Éthanol sous forme d'émulsion ou "à fort taux d'incorporation" : O 2 Diesel : émulsion, ediesel IFP : mélange ternaire : EtOH / Biodiesel / gazole ou BtL ou HVO Éthanol pur avec forte additivation "procétane" optimisation système injection / Moteur : système d injection, quantité injectée, avance, matériaux, réservoir, lubrifiant (Scania) Transformation éthanol en hydrocarbures 25
Les nouvelles filières : générations 2 Gazéification : CO+H2 biocarburants synthétiques Hemicellulose 26 Lignine Cellulose Sucre : hydrolyses enzymatiques et fermentation (ethanol)
BtL : Biohydrocarbons Technologies involved ASU biomass CO 2 El. power O 2 naphtha Biomass Pretreatment Gasification Syngas conditioning Synthesis (FT) & Upgrading (HCK) diesel Utilities & integration XTL chain = complex process, looks like GTL... 1 st generation biofuels 27
La gazéification H 2 CO schematic representation of gasification source : Handbook biomass gasification 28
FT + HCK Synthèse Fischer-Tropsch: catalyseur IFP/ENI réacteur slurry Technologie IFP/ENI commercialisée par Axens Hydro isomérisation: technologie conventionnelle, catalyseur spécifique Technologie IFP/ENI commercialisée par Axens Axens dispose de plus de 50 références en HDK conventionnel 29
Quelques caractéristiques de Biocarburants : Biodiesel, HVO, BtL Fuel Jet A1 Biodiesel HVO GtL-Btl Density @15 C [kg/m3] ~ 800 ~ 885 775 785 770 785 Viscosity @40 C [mm2/s] ~ 4.5 2.9 3.5 3.2 4.5 Cetane number > 51 84 99 73 81 T10 C) ~ 200 ~ 320 250 270 ~ 230 T90 C) <300 ~ 335 295 300 ~ 300 Cold properties (FP (1) or CFPP (2) C) <-47 (1) -12 (2) - 5 / -30 (2) -5 / -25 (2) Lower heating value (MJ/kg) >42,8 ~ 38 ~ 44 ~ 43 Lower heating value(mj/litre) ~ 35 ~ 34 ~ 34 ~ 34 Naphtalen (wt%) <3 0 0 0 Oxygen (wt%) 0 ~ 11 0 0 Total Sulphur (mg/kg) < 3000 < 10 < 10 < 10 30
Les Agro-carburants de seconde génération HVO - HAO Hydrotraitement poussé des huiles végétales ou animales : HVO Biodiesel de synthèse très haut indice de cétane, pas de soufre ni de composés aromatiques faibles émissions de suie utilisable comme base à haute valeur ajoutée en mélange ou comme carburant pur dans des moteurs dédiés. et bonnes propriétés pour les carburants aéronautiques 31
Biocarburants : les prochaines étapes La première génération à partir de matière première aussi utilisée pour l'alimentaire La seconde génération à partir de biomasse ligno cellulosique et en utilisant toute la biomasse plantes sucrières ou amylacées : Betteraves, blé, maïs Huiles végétales : colza, tournesol, soja, palme Éthanol et Biodiesel bois, paille cultures dédiés : taillis à rotation rapide Ethanol, BtL et une génération intermédiaire : production d'hydrocarbure par hydrotraitement poussé des huiles végétales ou animales : HVO; HVA 32
Biocarburants : vers quel panorama Les demain nouvelles filières Bois, pailles, Nouvelles matières premières et nouveaux procédés mais produits conventionnels (Ethanol G2) Nouvelles matières premières, nouveaux procédés et nouveaux produits (hydrocarbures) Nouvelles matières premières mais procédés et produits conventionnels Biodiesel ex-jatropha ou ex-algues Matières premières agricoles mais nouveaux procédés et nouveaux produits (Butanol, NexBtL) blé, betteraves, colza, tournesol, soja, graisses animales Matières premières agricoles mais nouveaux procédés (Esterfip H) blé, betteraves, colza, tournesol, soja, 33
Les autres alternatives Les autres alternatives DME, autres oxygénés H2 Moteur thermique, PAC dans un avenir long terme problématique matériaux, logistique, stockage,...... et quel mode de production de l'hydrogène 34
Emissions du puits à la roue des carburants alternatifs (étude EUCAR/JRC/CONCAWE, 2005) 400 35 Emissions WTW GES GHG WtW emissions (g CO2eq CO2/100km) / 300 200 100 0-100 -200 essence et gazole ref gas.2002 0 100 200 300 400 500 600 GNC Bio-diesel ref gas.2002 BtL Total WTW energy (MJ / 100 km) Ethanol Energie WtW (MJ/100km) Gasoline Diesel fuel LPG CNG CBG EtOH ex SB EtOH ex wheat EtOH ex cellulose EtOH ex sugar cane MTBE/ETBE Bio-diesel Syn-diesel ex NG Syn-diesel ex coal Syn-diesel ex wood DME ex NG DME ex coal DME ex wood
La "roadmap" des carburants alternatifs Risque hydrogen CTL with CO2 C&S Biofuel 2nd generation: BTL GNC Biofuel 1st generation: biodiesel ethanol biogas hydrotreated bio oil (NexBTL) GTL Biofuel 2nd generation: Ethanol ex-straw, biogas R & D, validation en usage réel 2000 2010 2020 2030 Année 36
Biocarburants : les perspectives les agro-carburants : passer de l'additif (quelques %) à un véritable composant du pool carburant (~ 10%) A court et moyen terme, optimiser la production de biocarburants de 1ère génération et d'énergie provenant de la biomasse : enjeux économiques : coût, taxes, marché mondial, enjeux techniques : harmonisation des spécifications et l'adaptation des véhicules (cas des FFV) A long terme, assurer la disponibilité des ressources actuelles en croissance et des nouvelles ressources : évaluation de la disponibilité des matières premières, comparison des filières et évaluation des technologies, enjeux logistiques, réduction des coûts 37
IFP Biofuel Road-map Gas biogas Ethanol ETBE bio-dme LC Ethanol bio-butanol bio-h 2 veg.oils FAME FAEE HHV/AO Ethanol for diesel technologies BtL and others? Liquid 2000 2010 2020 2030 38
www.ifp.fr 39