Rapport final. Etude comparative de carburants par analyse de leur cycle de vie. Dr. E. Gnansounou, A. Dauriat

ENC - Faculté Environnement naturel, architectural et construit ICRE - Institut des infrastructures, des ressources et de l environnement LSEN - Laboratoire des systèmes énergétiques EPFL / ENC / LSEN, Bâtiment GC 3 CH-1015 Lausanne (Suisse) Téléphone : ++41-21-693 24 95 Téléfax : ++41-21-693 28 63 Télex : 454 478 ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRLE DE LUSNNE Etude comparative de carburants par analyse de leur cycle de vie Dr. E. Gnansounou,. Dauriat Rapport final Mars 2004 Réf. 420.100

Index 1. INTRODUCTION... 1 1.1 Contexte de l étude... 1 1.2 Objectifs de l étude... 2 1.3 Structure du rapport... 3 2. NLYSE DE CYCLE DE VIE DES FILIÈRES DE CRBURNTS... 4 2.1 Etapes d'une analyse de cycle de vie... 4 2.2 Système, unité fonctionnelle et méthode d'analyse... 5 2.3 Caractérisation des critères d impacts environnementaux considérés... 7 a. Consommation d'énergie primaire non renouvelable... 7 b. Effet de serre... 10 c. Eutrophisation et acidification... 10 2.4 Sources des données relatives à l analyse de cycle de vie... 11 3. L PRODUCTION DE BIOETHNOL... 12 3.1 Production et acheminement des matières premières... 13 a. Céréales... 13 b. Mélasses de betteraves... 14 c. Pommes de terre... 15 3.2 Production d Etha+... 16 a. Description technique du procédé... 16 b. Modélisation des flux de matière et d énergie... 19 3.3 Valorisation des co-produits... 21 3.4 Traitement des effluents liquides... 28 3.5 Services... 31 a. Unité de production de chaleur... 31 b. Système d approvisionnement en eau... 31 c. Système de refroidissement... 32 3.6 nalyse économique de la production d Etha+... 32 a. Frais annuels d investissement... 32 b. Coûts d exploitation fixes annuels... 33 c. Coûts d exploitation variables annuels... 34 d. Coût de production de l Etha+... 35 e. Calcul d allocation... 37 4. CYCLE DE VIE DES CRBURNTS... 42 4.1 Phase de production des carburants... 42 a. La filière essence...42 b. La filière essence 5... 44 4.2 Phase d utilisation des carburants... 44 5. RESULTTS DE L'NLYSE DE CYCLE DE VIE... 46 5.1 Hypothèses concernant l'analyse de cycle de vie... 46 a. Modélisation du procédé en termes d CV... 46 b. Méthode d allocation... 48 c. Limites de l'analyse de cycle de vie... 48 d. Effet de serre... 49 EPFL - LSEN Page 73

5.2 Résultats de l'analyse de cycle de vie de la production d Etha+... 50 a. Consommation d'énergie primaire non renouvelable... 50 b. Effet de serre... 51 c. Eutrophisation et acidification... 51 5.3 Résultats de l'analyse de cycle de vie des filières essence et essence 5... 52 a. Consommation d'énergie primaire non renouvelable... 52 b. Effet de serre... 53 c. Eutrophisation... 54 d. cidification... 55 5.4 Evaluation des impacts par litre d Etha+ introduit sur le marché... 56 6. NLYSE DE SENSIBILITE ET SYNTHÈSE DES RÉSULTTS... 60 6.1 nalyse de sensibilité... 60 a. Sensibilité vis-à-vis du taux de charge de l usine... 60 b. Sensibilité vis-à-vis du prix des co-produits... 62 c. Sensibilité vis-à-vis du prix des performances à l utilisation... 63 6.2 Synthèse des résultats de l CV... 64 7. CONCLUSIONS... 67 7.1 Bilan des résultats de l'analyse de cycle de vie des carburants... 67 7.2 Limites de l étude et des résultats présentés... 67 8. REFERENCES BIBLIOGRPHIQUES... 69 EPFL - LSEN Page 74

Liste des figures Figure 2.1 Rapports et échanges entre le système, l'environnement et l'économie (Jolliet, 2000)... 5 Figure 2.2 Frontières et caractérisation des systèmes étudiés... 6 Figure 2.3 Schéma de principe de la méthode CV EcoIndicator'99... 8 Figure 2.4 Schéma de principe de la méthode CV retenue dans le cadre de l'étude... 9 Figure 3.1 Principales filières de production de biocarburants... 12 Figure 3.2 Diagramme de l usine multi-matières de production de bioéthanol... 17 Figure 3.3 Extrait du modèle de flux établi dans le cadre de l étude... 20 Figure 3.4 Diagramme des flux horaires relatifs à la filière céréales... 22 Figure 3.5 Diagramme des flux horaires relatifs à la filière mélasses... 23 Figure 3.6 Diagramme des flux horaires relatifs à la filière pommes de terre... 24 Figure 3.7 Diagramme des flux annuels relatifs à la filière céréales... 25 Figure 3.8 Diagramme des flux annuels relatifs à la filière mélasses... 26 Figure 3.9 Diagramme des flux annuels relatifs à la filière pommes de terre... 27 Figure 3.10 Structure du coût de production brut de l éthanol par filière et pour l ensemble de l usine... 36 Figure 3.11 pproche du shadow price appliquée à la filière céréales... 38 Figure 3.12 pproche du shadow price appliquée à la filière mélasses... 39 Figure 3.13 pproche du shadow price appliquée à la filière pommes de terre... 40 Figure 4.1 pprovisionnement de la Suisse en produits pétroliers (adapté de Tamoil)... 43 Figure 5.1 Cycle du CO 2 au cours de la vie d un carburant issu de la biomasse... 49 Figure 5.2 Consommation d'énergie primaire non renouvelable (MJ p /100 km)... 52 Figure 5.3 Facteur d'amplification énergétique (FE)... 53 Figure 5.4 Impact relatif à l effet de serre (kg CO 2 eq. /100 km)... 54 Figure 5.5 Impact relatif au phénomène d'eutrophisation (g PO 4 3- eq. /100 km)... 54 Figure 5.6 Impact relatif au phénomène d'acidification (g SO 2 eq. /100 km)... 55 Figure 5.7 Détails des calculs relatifs à la consommation d'énergie pour la FORD Focus... 57 Figure 5.8 pproche alternative pour le calcul du Energie et du CO 2... 58 EPFL - LSEN Page 72

Liste des tableaux Tableau 3.1 Hypothèses concernant l approvisionnement en céréales de l usine d éthanol... 14 Tableau 3.2 Hypothèses concernant l approvisionnement en céréales de l usine d éthanol... 14 Tableau 3.3 Hypothèses concernant l approvisionnement en pommes de terre de l usine d éthanol... 16 Tableau 3.4 Liste des différents ateliers de l usine de production d Etha+ (Maguin Interis, 2002)... 17 Tableau 3.5 Paramètres de base du modèle de flux... 20 Tableau 3.6 Caractéristiques des co-produits issus de la production de bioéthanol... 28 Tableau 3.7 Détail des effluents liquides envoyés en méthanisation, en conditions réelles... 29 Tableau 3.8 Charge polluante des effluents liquides dans différentes situations de fonctionnement... 29 Tableau 3.9 Production de biogaz et économie de gaz naturel au niveau procédé... 30 Tableau 3.10 Besoins journaliers en eau de l usine d éthanol... 31 Tableau 3.11 Détail des investissements (ksfr) par étape et par filière... 33 Tableau 3.12 Détail des coûts d exploitation fixes annuels (ksfr) par filière... 33 Tableau 3.13 Détail des prix unitaires des différentes ressources consommées dans le procédé (SFr)... 34 Tableau 3.14 Détail des coûts d exploitation variables annuels (SFr) par filière... 35 Tableau 3.15 Détail des coûts de production par filière et pour l ensemble de l usine... 36 Tableau 3.16 Détail des coûts globaux de traitement (ksfr/an) par étape et par filière... 37 Tableau 3.17 Détail des facteurs d allocation attribués à l éthanol par étape et par filière... 41 Tableau 4.1 Caractéristiques des carburants envisagés... 44 Tableau 4.2 Caractérisation du véhicule de référence... 45 Tableau 4.3 Résultats des mesures réalisées sur la FORD Focus avec l essence et l essence 5... 45 Tableau 5.1 Comparaison de la consommation d'énergie primaire non renouvelable (MJ p /l)... 50 Tableau 5.2 Comparaison des émissions de gaz à effet de serre (kg CO 2 eq. /l)... 51 Tableau 5.3 Comparaison de l impact lié au phénomène d eutrophisation (g PO 4 3- eq. /l)... 51 Tableau 5.4 Comparaison de l impact lié au phénomène d acidification (g SO 2 eq. /l)... 52 Tableau 5.5 Variation absolue des impacts environnementaux par litre d'éthanol incorporé... 56 Tableau 5.6 Calcul de Energie et CO 2 pour chacune des filières... 56 Tableau 6.1 Hypothèses de l analyse de sensibilité vis-à-vis du taux de charge de l usine... 60 Tableau 6.2 Résultats de l analyse de sensibilité vis-à-vis du taux de charge de l usine... 61 Tableau 6.3 Hypothèses de l analyse de sensibilité vis-à-vis du prix des co-produits... 62 Tableau 6.4 Résultats de l analyse de sensibilité vis-à-vis du taux de charge de l usine... 62 Tableau 6.5 Hypothèses de l analyse de sensibilité vis-à-vis des performances à l utilisation... 63 Tableau 6.6 Résultats de l analyse de sensibilité vis-à-vis des performances à l utilisation... 64 Tableau 6.7 Tableau récapitulatif des résultats de l analyse de cycle de vie... 65 Tableau 6.8 Variation relative des impacts de la filière essence5 par rapport à la filière essence... 66 EPFL - LSEN Page 71

1. INTRODUCTION La filière bioéthanol-carburant peut apporter une contribution significative à la réduction des émissions de CO 2 dues aux transports (LSEN, 2002), réduction à laquelle la Suisse s est engagée dans le cadre du protocole de Kyoto. Déjà développée à large échelle dans plusieurs pays (Brésil, US, France, Suède, Espagne), cette filière présente l avantage de pouvoir être mise en œuvre rapidement et avec des investissements modestes : à de faibles concentrations jusqu'à 5% (vol.) dans l essence, seules des adaptations mineures du système de distribution et des précautions élémentaires sont nécessaires. 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 un tel contexte, lcosuisse, Centre de profit de la Régie Fédérale des lcools, souhaite promouvoir une filière bioéthanol-carburant pour sa contribution au développement durable participant ainsi à la mise en place d'un nouveau secteur industriel offrant des débouchés à l'agriculture suisse. 1.1 Contexte de l étude Jusqu à fin 2002, une première phase d investigations visant à déterminer les conditions dans lesquelles le développement de cette filière présentait un intérêt et une probabilité de succès raisonnable, a permis de répertorier les matières premières disponibles à court terme. Diverses études mandatées par lcosuisse ont ainsi montré qu une filière indigène d éthanol-carburant développée autour d une unité de production d éthanol de quelques 35-40 Ml/an, basée sur des céréales, des mélasses et des pommes de terre é techniquement envisageable et pourrait s avérer également économiquement viable sous certaines conditions (Planair S, 2002). La valorisation actuelle des surplus techniques de pommes de terre par déshydratation, à la fois coûteuse et peu écologique, serait en effet avantageusement remplacée par une production d éthanol. Les céréales panifiables déclassées en céréales fourragères pour soutenir les prix du marché offrent également un important potentiel de production. Enfin, 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 de betteraves pour la production de bioéthanol. u total, les ressources disponibles à court terme (surplus techniques, voire déchets ) représenteraient un potentiel de production d éthanol-carburant de l ordre de 35-40 millions de litres (Ml) par an (Planair S, 2002). Une installation multi-matières, polyvalente et flexible, réalisant la conversion en bioéthanol des ressources identifiées précédemment (céréales, mélasses, pommes de terre) a ainsi été pré-dimensionnée, et sa rentabilité évaluée. Cependant, lcosuisse souhaite, dans le cadre d une seconde phase de son projet, évaluer l impact environnemental d une telle installation de production d éthanol, en relation avec les carburants conventionnels utilisés à l heure actuelle. Cette analyse comparative des performances environnementales de carburants fait l objet de la présente étude. Plusieurs sites sont actuellement envisagés pour l implantation d une telle unité de production d éthanol, à savoir les sites d lcosuisse-delémont, lcosuisse-schachen, Pétroplus-Cressier, Borrregaard-Luterbach et arberg. Le choix définitif du site faisant actuellement l objet d une étude comparative d impact et n ayant pas encore été arrêté à ce stade de l étude, le site de Delémont (figurant parmi les plus sérieux candidats malgré sa position excentrée) a été EPFL - LSEN Page 1

choisi arbitrairement comme site de référence pour la présente étude. Ce site offrirait par ailleurs un intéressant potentiel d importation de biomasse depuis la France ou l llemagne. Les études préliminaires indiquent un coût de production de l éthanol autour de 1.20 SFr/l (Planair S, 2002). titre comparatif, le coût de production de l essence conventionnelle sortie raffinerie se situe aujourd hui entre 0.40 SFr/l et 0.50 SFr/l. Une telle différence de coûts de production entre ces deux carburants pose le problème essentiel des conditions de viabilité à long terme d une filière de production de bioéthanol en Suisse. Or, la viabilité à long terme de l ensemble de la filière ne pouvant pas être établie uniquement à partir d un calcul du coût de production de l éthanol, la présente étude a pour objectif d analyser chaque étape de la filière du point de vue à la fois socio-économique et environnemental. 1.2 Objectifs de l étude L utilisation de l éthanol-carburant est ici envisagée sous forme d un mélange de 5% (vol.) de bioéthanol (Etha+ 1 ) et de 95% (vol.) d essence sans plomb conventionnelle, désigné sous le terme essence 5 dans le cadre de la présente étude. L essence 5 est ici comparée à l essence sans plomb 95 (désignée plus simplement sous le terme essence dans la suite du rapport) selon divers aspects, à savoir la production, la mise à disposition auprès du consommateur et enfin l utilisation du carburant. Les objectifs principaux de cette étude visent essentiellement à : comparer, à l'aide d une méthode d'analyse de cycle de vie rigoureuse et reconnue, les impacts environnementaux relatifs à la production et l'utilisation des carburants automobiles susmentionnés, sur la base de données cohérentes et actualisées ; évaluer la sensibilité des résultats aux paramètres déterminants les plus pertinents et aux diverses matières premières envisagées, afin d'établir un intervalle de confiance des principaux résultats. De manière à pouvoir caractériser les impacts environnementaux associés à chacune des deux filières, une analyse de cycle de vie (CV) est essentielle. Les critères d impact retenus dans le cadre de la présente étude sont l amplification énergétique, l effet de serre, ainsi que les phénomènes d eutrophisation et d acidification. Ces critères d'impact ont ainsi été quantifiés pour chaque étape du cycle de vie des carburants, à savoir la phase de production (ressources, culture de la matière première, collecte, transport, stockage, transformation et distribution) et la phase d'utilisation dans un véhicule conventionnel, afin d'obtenir un inventaire détaillé des émissions polluantes et des ressources consommées dans chacun des cas. L analyse de cycle de vie est complétée par une analyse économique visant d une part à effectuer une allocation des charges polluantes entre l éthanol et les différents co-produits issus de l usine, et d autre part à évaluer les coûts d opportunités des produits intermédiaires (par exemple, les vinasses) à différents stades du procédé ainsi que les coûts associés à l introduction de l essence 5 sur le marché suisse des carburants. Les données de référence relatives à l unité de production d Etha+ émanent de documents établis par la société Maguin Interis S, chargée de la conception et du design de l usine. Les données spécifiques concernant le traitement et la valorisation des effluents liquides sont issues de RWB Eau et Environnement S. La logistique d approvisionnement de l usine en 1 En Suisse, le bioéthanol dont la production est prévue par lcosuisse a été baptisé Etha+, marque déposée par lcosuisse. EPFL - LSEN Page 2

matières premières ainsi que la distribution de l éthanol puis du mélange essence 5 sont issues de diverses prises de contact et études du bureau Planair S avec les différents acteurs concernés (agriculteurs, groupes d'entreprises du secteur agricole suisse, pétroliers). Enfin, les données relatives à la phase d utilisation des carburants reposent sur les résultats de mesures d'émissions réalisées sur un véhicule de référence par l'emp 2 en 2002 (EMP, 2002). 1.3 Structure du rapport Le chapitre 2 présente l approche adoptée par le LSEN dans le cadre de cette étude et décrit la méthodologie appliquée pour l analyse environnementale d une part et économique d autre part. Les divers critères et hypothèses retenus y sont discutés en détail. Le chapitre 3 offre une description détaillée de la production d Etha+ depuis la production et la mise à disposition des matières premières jusqu à l obtention de l éthanol-carburant au sein de l usine multi-matières envisagée par lcosuisse. Ce chapitre offre dans un premier temps une vision concrète de la logistique d approvisionnement de l usine en matières premières, pour ensuite insister plus particulièrement sur le procédé proposé par Maguin Interis S pour la conversion en éthanol des différents substrats envisagés (céréales, mélasses de betteraves, pommes de terre). Le procédé est d abord décrit de façon qualitative, puis selon une approche quantitative par laquelle la modélisation des flux de matières et d énergie est explicitée de façon à obtenir un inventaire complet des ressources consommées et des émissions polluantes tout au long du procédé. Le chapitre 4 présente l ensemble du cycle de vie des deux carburants retenus dans le cadre de cette étude (essence sans plomb 95 conventionnelle et essence 5 ). Ce chapitre envisage dans un premier temps la phase de production des carburants (jusqu à la distribution à la station service) pour ensuite s intéresser à la phase d utilisation des carburants, autrement dit leur combustion dans le moteur d un véhicule de référence, et propose un bref récapitulatif des tests menés par l EMP dans le cadre de l étude lcosuisse 2002 et des résultats obtenus lors de ces mesures. Le chapitre 5 expose les résultats relatifs à l analyse économique d une part et à l analyse de cycle de vie d autre part. Les deux filières de carburants envisagées sont comparées selon les différents critères d impact considérés dans le cadre de la présente étude. L approche adoptée est présentée de manière détaillée. Elle permet d exprimer le potentiel d économie d énergie primaire non renouvelable et d émissions de gaz à effet de serre (CO 2 eq. ) lié à la production et à l utilisation du bioéthanol. Le chapitre 6 propose dans un premier temps une analyse de sensibilité des différents résultats vis-à-vis des principaux paramètres déterminants identifiés tout au long de l analyse de cycle de vie et de l analyse économique. Ce chapitre est conclu par une synthèse des résultats, avec la mise en évidence des hypothèses majeures prises en compte dans cette étude. Le chapitre 7 apporte enfin les recommandations et les conclusions relatives à l ensemble de l étude en termes de bilan des résultats et de limites de l étude. 2 EMP, Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Laboratoire Fédéral d'essai des Matériaux et de Recherche) EPFL - LSEN Page 3

2. NLYSE DE CYCLE DE VIE DES FILIÈRES DE CRBURNTS Cette étude vise à caractériser, d'un point de vue environnemental, des filières d'utilisation de carburants, à savoir d'une part la filière traditionnelle (essence sans plomb 95) et d'autre part la filière essence 5. L'analyse de cycle de vie ou écobilan est un instrument comparatif, permettant d'évaluer la charge environnementale de plusieurs produits, procédés ou systèmes. Elle a été réalisée selon la structure et les directives de la norme ISO 14040, qui précise de manière détaillée la méthodologie la mieux indiquée à l'heure actuelle, pour la réalisation d'une telle analyse. 2.1 Etapes d'une analyse de cycle de vie Le code de pratique décrit dans la série de normes internationales ISO 14040-43 (ISO/FDIS 14040 on Environmental Management, 1997) définit, selon la méthodologie conventionnelle de l'évaluation d'impact environnemental de type analyse de cycle de vie ou écobilan, les quatre étapes suivantes : la définition des objectifs, du système et de ses limites l'inventaire des émissions et de la consommation des ressources l'évaluation de l'impact environnemental l'interprétation des résultats La définition des objectifs, du système et de ses limites permet de poser le problème, de définir les objectifs et la portée de l'étude. La détermination de la fonction du système, de l'unité fonctionnelle 3 à laquelle les émissions seront ensuite rapportées ainsi que la définition des limites du système étudié jouent un rôle crucial. C'est aussi dans cette étape que les scénarios de base et les variantes à étudier sont définis en détail. L'inventaire des ressources et des émissions quantifie l'utilisation des matières premières ainsi que les émissions polluantes dans l'air, l'eau et le sol, à travers une description détaillée du procédé étudié. L'évaluation de l'impact environnemental vise à évaluer l'impact sur l'environnement des émissions inventoriées dans l'étape précédente en agrégeant les émissions et en les pondérant selon leur potentiel à causer une perturbation environnementale. Le cadre scientifique ainsi que la méthodologie liée à l'évaluation de l'impact sont encore à l'heure actuelle en cours de développement. Il n'existe pas encore, en effet, de méthodologie universelle et acceptée de tous, permettant d'associer, d'une manière qui soit à la fois cohérente et précise, les données de l'inventaire à un éventuel impact environnemental. De plus, il existe toujours une part de subjectivité dans le choix, la modélisation et l'évaluation des catégories d'impact. insi, il est essentiel de maintenir la plus grande transparence lors de l'évaluation de l'impact selon l approche CV, afin de s'assurer que les hypothèses sont décrites et définies de la manière la plus claire possible. 3 L'unité fonctionnelle est une mesure de la performance des outputs fonctionnels du système. L'unité fonctionnelle constitue une référence à laquelle sont associés les inputs et outputs relatifs au système. Une référence unique est indispensable afin de permettre la comparaison des différents scénarios dans le cas d'une étude comparative. EPFL - LSEN Page 4

Enfin, l'interprétation des résultats obtenus à chacune des étapes précédentes, repose sur une analyse critique de l influence du choix des limites et sur une analyse de sensibilité des hypothèses. Cette interprétation peut prendre la forme de conclusions et de recommandations auprès des décideurs. 2.2 Système, unité fonctionnelle et méthode d'analyse De manière très générale, les limites du système sont définies de la manière indiquée sur la Figure 2.1 et incluent toutes les étapes du processus de fabrication jusqu'à l'obtention du produit fini, y compris la production et la mise à disposition des divers intrants (ou inputs). Dans le cas présent, le système considéré, pour chacun des carburants envisagés, englobe toute l'infrastructure de production et de mise à disposition du carburant, depuis l'extraction dans l'environnement des ressources primaires jusqu'à la distribution du carburant auprès du consommateur, ainsi que l'utilisation du carburant dans le véhicule de référence (Figure 2.2). Produit Co-produit(s) Input = 0 Economie Système Limites du système étudié dans l'écobilan Environnement Consommation (ressources, énergie, sol) Emissions (air, eau, sol, bruit) Figure 2.1 Rapports et échanges entre le système, l'environnement et l'économie (Jolliet, 2000) La fonction principale du système est, pour chacune des filières envisagées, de fournir de l'énergie au moteur d'un véhicule afin d'assurer le déplacement de celui-ci. L'unité fonctionnelle en référence à laquelle seront exprimés tous les résultats, est de ce fait une distance, dans le cas présent 100 kilomètres parcourus. On obtiendra ainsi par exemple une quantité de gaz à effet de serre émis par 100 km parcourus. L'allocation des ressources consommées et des émissions polluantes à la production des divers carburants a été déterminée proportionnellement aux valeurs économiques respectives des divers produits (ou co-produits) issus du procédé de transformation de la biomasse. Le principe de l'allocation financière repose sur le fait que les produits sont fabriqués pour leur valeur commerciale, donc sur le caractère incitatif du revenu financier. Les émissions sont donc allouées entre le produit étudié et les divers co-produits proportionnellement à la valeur de l'expression prix quantité de chacun, au point de division. Pour chaque produit ou coproduit, le prix considéré est celui du marché. Les flux associés au procédé de transformation sont ainsi répartis entre le produit étudié et les divers co-produits, au prorata de leur valeur commerciale sur le marché. La méthode d'analyse de cycle de vie adoptée dans le cadre de cette étude est la méthode EcoIndicator 99, développée par le bureau néerlandais PRé Consultants (PRé Consultants, 1999), et désormais éprouvée, reconnue et largement utilisée dans le domaine de l'analyse de cycle de vie. EPFL - LSEN Page 5

Figure 2.2 Frontières et caractérisation des systèmes étudiés EPFL - LSEN Page 6

2.3 Caractérisation des critères d impacts environnementaux considérés La structure générale de la méthode EcoIndicator 99 est présentée sur la Figure 2.3. noter sur la figure, la mention des divers aspects devenir (fate analysis), effet (effect analysis) et dommage (damage analysis). Dans ses Guidelines for Life-Cycle ssessment, la SETC (Society of Environmental Toxicology and Chemistry) précise en effet que le calcul d impact devrait tenir compte à la fois de l aspect devenir (à savoir, les procédés de dégradation et de transport des polluants vers les autres compartiments environnementaux) et de l aspect effet (toxicité) des polluants. Compte tenu du fait que les mesures d'émissions à l échappement effectuées par l'emp pour la phase d utilisation des carburants (EMP, 2002) imposent certaines limitations quant au nombre et à la nature des substances polluantes considérées, en accord avec lcosuisse, seuls 4 des 11 critères d'impacts environnementaux envisagés dans la méthode EcoIndicators 99 ont été retenus dans le cadre de la présente étude, à savoir : consommation d énergie primaire non renouvelable effet de serre eutrophisation acidification Tous les critères n'ayant pas été considérés, la dernière agrégation permettant l'évaluation des dommages (damage analysis) n'est pas effectuée dans le cadre de cette étude. Les résultats de l'analyse de cycle de vie sont ainsi présentés sous la forme d impacts-scores relatifs à chacun des critères cités ci-dessus. La portée de l CV réalisée dans cette étude est précisée sur la Figure 2.4. Chacun des critères d'impact retenus est maintenant abordé de manière plus détaillée. a. Consommation d'énergie primaire non renouvelable L analyse de cycle de vie permet d estimer la consommation d énergie primaire associée à la production et la mise à disposition d un carburant. L'aspect énergétique est ici abordé de deux manières différentes, à savoir l'évaluation de la consommation d'énergie primaire rapportée à l'unité fonctionnelle de référence et l'évaluation de l'amplification énergétique. La consommation d'énergie primaire (non renouvelable) est ici exprimée en MJ p consommés pour 100 km parcourus. Le facteur d'amplification énergétique (FE) est quant à lui défini comme le rapport de l énergie totale contenue dans une unité de carburant (par exemple 1 GJ) et de l énergie primaire non renouvelable commercialisée, allouée au carburant, consommée pour produire et mettre à disposition la même unité de carburant. Le FE est donné par la formule : Energie restituée sous forme de carburant FE = Energie primaire totale non renouvelable consommée, allouée au carburant Ce facteur traduit la capacité d une filière à économiser et substituer l énergie fossile. Un FE supérieur à 1 indique un bilan énergétique positif, dans le sens où la consommation d énergie primaire non renouvelable à la production du carburant est inférieure à l énergie contenue dans celui-ci. EPFL - LSEN Page 7

Figure 2.3 Schéma de principe de la méthode CV EcoIndicator'99 EPFL - LSEN Page 8

Figure 2.4 Schéma de principe de la méthode CV retenue dans le cadre de l'étude EPFL - LSEN Page 9

noter cependant que le FE ne tient compte que de la phase de production des carburants étudiés et ne traduit pas, de ce fait, l'efficacité avec laquelle les différents carburants assurent le déplacement du véhicule. Le FE étant une grandeur souvent mentionnée dans la littérature pour ce genre d'étude, il est malgré tout mentionné à titre indicatif dans cette étude. b. Effet de serre L'effet de serre est le nom du phénomène de rétention par l'atmosphère de la chaleur émise par la terre. L'augmentation des rejets de gaz à effet de serre fait craindre un bouleversement de l'équilibre climatique. L'impact est exprimé en kg de CO 2 eq. émis pour 100 km parcourus. Bien qu un nombre considérable de polluants soient en fait pris en compte dans l évaluation de l impact, les principaux gaz à effet de serre sont le dioxyde de carbone (CO 2 ), le méthane (CH 4 ) et le protoxyde d'azote (N 2 O). Le dioxyde de carbone est le principal gaz à effet de serre et sert de référence pour le calcul de l impact. Les émissions sont en effet pondérées à l aide de potentiels d impact permettant d exprimer toutes les émissions en kg de CO 2 équivalent (IPCC, 2001). Le méthane contribue au phénomène d effet de serre, et possède un coefficient d équivalence vis-à-vis du CO 2 égal à 7 4. La contribution principale aux émissions de méthane réside dans la synthèse des engrais azotés minéraux. Le protoxyde d azote est un gaz à effet de serre au même titre que le dioxyde de carbone et le méthane, mais il possède un coefficient d équivalence vis-à-vis du CO 2 égal à 156 5. Les étapes agricoles peuvent être à l origine d émissions de N 2 O. Ces émissions sont directement liées à la concentration en nitrates dans le sol. La production de N 2 O provient essentiellement de la transformation des engrais azotés par des bactéries (dénitrification biologique). Dans le cas du bioéthanol, les émissions directes (par opposition aux émissions relatives à la production des intrants) associées à la fermentation des sucres par les levures sont dictées par la chimie de la réaction de fermentation. Chaque molécule de sucre simple donne en effet lieu à 2 molécules d éthanol et 2 molécules de dioxyde de carbone. Si l on considère, par ailleurs, la consommation d une fraction des sucres (de l ordre de 5%) liée à la croissance des levures, la réaction de conversion des sucres en éthanol s accompagne globalement d une émission de 1.015 kg de CO 2 par litre d alcool. c. Eutrophisation et acidification L eutrophisation touche les eaux et se manifeste par une prolifération d algues consécutive à l introduction dans les eaux d éléments nutritifs tels que phosphates et nitrates. La croissance rapide des algues perturbe en particulier le cycle biochimique de l eau. L'acidification désigne en revanche l augmentation de substances acides dans la basse atmosphère, à l origine des pluies acides et du dépérissement de certaines forêts. Les principaux polluants intervenant dans la caractérisation des impacts-scores liés à ces deux phénomènes sont respectivement les phosphates (PO 4 3- ) et l azote (NH 4 +, NO et NO 2 ) pour l eutrophisation et les oxydes de soufre (SO x ), les oxydes d azote (NO x ), l ammoniaque (NH 3 ) et les acides halogéniques (HCl, HF) pour l acidification. 4 Un coefficient d'équivalence de 7 (vis-à-vis du CO 2 ) signifie que l'émission de 1 kg de méthane équivaut celle de 7 kg de CO 2. 5 L'émission d'un kilogramme de protoxyde d'azote équivaut celle de 156 kg de dioxyde de carbone. EPFL - LSEN Page 10

2.4 Sources des données relatives à l analyse de cycle de vie La grande majorité des données utilisées pour l'évaluation de la consommation des ressources primaires et des émissions polluantes provient de la base de données EcoInvent, développée au sein de différentes institutions de recherche suisses (EPFZ, EPFL, PSI, EMP, EWG, FL), suite à une initiative du Swiss Centre for Life Cycle Inventories et des Office Fédéraux. Cette nouvelle base de données constitue en quelques sortes une version plus aboutie et mise à jour de la base de données Ökoinventare von Energiesystemen, développée initialement par le groupe Energie-Stoff-Umwelt (ESU) de l Ecole Polytechnique Fédérale de Zürich (EPFZ). Cette base de données particulièrement complète regroupe, selon une approche intégrée, les domaines de l approvisionnement énergétique, du transport, des matériaux, du traitement des déchets, de l agriculture, de la construction et également des biens de consommation tels que détergents, papier, technologies de l information, etc. Pour chacun des intrants intervenant dans les filières envisagées dans cette étude et ne figurant pas dans la base de données (enzymes, levures, mélasses, etc.), un enregistrement original, au format EcoInvent, a été compilé par le LSEN, à partir de différentes informations, obtenues soit dans des études spécifiques, soit auprès d industriels du domaine concerné. C est le cas notamment pour les mélasses de betteraves, dont l CV complète a été réalisée à partir d une description détaillée du procédé de production de sucre fournie par la sucrerie d arberg. La caractérisation des enzymes et levures repose quant à elle sur une étude du NREL (Wooley, 1999), relative à une installation de production de bioéthanol dont les unités spécifiques ont été isolées, selon les besoins. EPFL - LSEN Page 11

3. L PRODUCTION DE BIOETHNOL Les biocarburants peuvent être produits à partir de différentes sources de matière première, selon divers procédés de transformation. Les principales filières de production sont indiquées sur la Figure 3.1, ci-dessous. Figure 3.1 Principales filières de production de biocarburants Le bioéthanol n'est autre que de l'alcool éthylique ou éthanol, identique par sa composition à l'alcool de bouche. Il existe deux façons principales de produire de l'éthanol, à savoir par synthèse à partir de d'hydrocarbures et à partir de biomasse. Seule cette deuxième façon de procéder mérite l'appellation bioéthanol et sera étudiée dans ce rapport. Tous les sucres fermentescibles (glucose, saccharose, etc.) peuvent être transformés en éthanol par fermentation. Comme le montre la Figure 3.1, ces sucres sont présents dans un état plus ou moins polymérisé dans de nombreuses espèces du monde végétal comme la betterave à sucre, la canne à sucre, le blé, le maïs, la pomme de terre, mais également dans l'herbe ou encore le bois. Des déchets tels que le petit lait ou le vieux papier peuvent aussi être transformés en bioéthanol, bien que leur contribution à l heure actuelle reste largement marginale. La filière envisagée par lcosuisse pour la production et l acheminement jusqu à la raffinerie de l Etha+, conformément à la Figure 2.2, comprend essentiellement les étapes suivantes : la production des matières premières retenues (céréales, pommes de terre, mélasses) ; le stockage et le conditionnement des surplus agricoles envisagés ; leur transport à l usine de production de bioéthanol ; la production du bioéthanol et des co-produits ; partir des différentes étapes énumérées ci-dessus, la description de la chaîne de production de l Etha+ est ici divisée en deux grandes phases, à savoir, la production et l acheminement des matières premières jusqu à l usine de bioéthanol et la production d Etha+ à proprement EPFL - LSEN Page 12

parler. La logistique d acheminement du bioéthanol jusqu à la raffinerie et/ou aux centres de dépôt régionaux, tout comme la formulation et la distribution de l essence 5, sont présentées et décrites dans le chapitre 4. 3.1 Production et acheminement des matières premières Cette première section a pour but d offrir une vision la plus concrète possible de la logistique d approvisionnement de l usine en matières premières, en termes de répartition temporelle des livraisons, mais aussi en termes de capacités de stockage nécessaires au sein de l usine, de distances moyennes parcourues entre les exploitations agricoles et l usine de bioéthanol. La question du conditionnement (séchage, etc.) de la matière première est également abordée. D une façon générale, la production d éthanol issu (directement ou indirectement) de matières première d origine agricole s accompagne d une production de co-produits présentant une teneur importante en protéines, et leur valorisation sur le marché de l affouragement contribue de manière non négligeable à équilibrer le bilan financier de la production de bioéthanol (voir paragraphe 3.6). Toutefois, les quantités valorisables à un prix intéressant sur le marché suisse sont limitées, tandis qu une exportation de ces co-produits ne serait pas attractive du point de vue financier. Cette contrainte limite donc les quantités de matières premières utilisables pour la production d éthanol. Les quantités envisagées dans cette étude correspondent aux valeurs maximales (Planair S, 2003). Concernant enfin le prix des matières premières, les valeurs sont précisées franco usine de production d éthanol et correspondent à des estimations pour l année 2007, année envisagée pour la mise en service de l usine. a. Céréales Les quantités de céréales envisagées pour la production de bioéthanol s élèvent à 60'000 t/an pour une production d éthanol anhydre de l ordre de 22.5 Ml/an (Maguin Interis, 2004), soit un rendement de 372 l/t (voir paragraphe 3.2b). Un prix franco usine d éthanol de 500 SFr/t a été envisagé 6. En termes d analyse de cycle de vie (CV), la culture de référence pour la filière céréales est le blé, en production intégrée. La teneur en eau, selon la base de données EcoInvent est de 15%. L allocation entre les grains et la paille est effectuée selon les valeurs économiques respectives des deux produits, en accord avec l approche retenue pour l CV. Le transport du blé depuis l exploitation jusqu au centre régional de collecte est envisagé sur une distance moyenne de 15 km. Le transport est effectué par l agriculteur au moyen d un tracteur muni d une remorque d une capacité de 8t. Par manque d information, les étapes de chargement/déchargement tout au long de la chaîne d approvisionnement ne sont pas prises en compte. La contribution est cependant jugée négligeable. Concernant le séchage des céréales, une consommation de 5 kwh d électricité et 130 MJ (soit 3.2 m 3 ) de gaz naturel par tonne de céréales a été prise en compte 7. Un stockage en silo a également été considéré. Une distance moyenne de 60 km a été envisagée pour le transport depuis les centres de collecte régionaux jusqu à l usine d éthanol. Le transport est effectué par rail. Une capacité de 6 Le prix franco usine de production d éthanol pour une tonne de céréales est décomposé de la manière suivante : prix moyen des céréales franco exploitation agricole (467 SFr), prise en charge du transport jusqu au centre de collecte et du stockage (12 SFr), prise en charge du transport jusqu à l usine (forfait de 15 SFr, plus 10 SFr/100 km, soit un total de 21 SFr pour couvrir une distance de 60 km). Les valeurs sont dérivées du PV Fenaco du 10/11/2003, ensuite validées par Planair. 7 Selon la Fédération Suisse des Producteurs de Céréales (FSPC), la quantité moyenne d énergie dépensée pour le séchage est de l ordre de 3 à 7 kwh d énergie électrique (entraînement électrique des marchandises, fonctionnement du séchoir, alimentation des ventilateurs, etc.), et de 95 à 125 MJ de carburant (les deux tiers des séchoirs fonctionnant au mazout et le tiers restant au gaz naturel). La valeur de 120 MJ a été retenue, en considérant qu il ne s agissait que de gaz naturel. Les fortes variations proviennent des disparités entre les installations (vétusté, type d installations, etc.). EPFL - LSEN Page 13

stockage en silo équivalente à 4 jours de production à capacité nominale (soit 2'500 m 3 ) a été considérée. Concernant la qualité des céréales, une teneur en amidon de 60% et une teneur en eau de 14% ont été retenues. Les différentes hypothèses concernant l approvisionnement en céréales de l usine d éthanol sont reprises dans le Tableau 3.1. Dans chaque cas, la source est précisée. Tableau 3.1 Hypothèses concernant l approvisionnement en céréales de l usine d éthanol Paramètres Références Sources Type de céréales Blé, production intégrée EcoInvent, LSEN Capacité de traitement de l usine 67'200 t/an Interis Quantités annuelles traitées 60'000 t/an Planair Taux de charge de l usine 88.7% - Transport jusqu au centre de collecte 15 km, par tracteur Planair, LSEN Energie de séchage (par tonne de MP) 5 kwh d électricité Planair, FSPC 120 MJ de gaz naturel Transport jusqu à l usine d éthanol 60 km, par rail Planair Stockage des céréales sur le site de l usine 4 jours (soit 2'500 m 3 ) Planair Teneur en eau des céréales 14% Planair, Interis Teneur en amidon des céréales 60% Planair, Interis Prix des céréales franco usine 500 SFr/t Planair, Fenaco b. Mélasses de betteraves Les quantités de mélasses envisagées pour la production de bioéthanol s élèvent à 20'000 t/an pour une production d éthanol anhydre de l ordre de 6.2 Ml/an (Maguin Interis, 2004), soit un rendement de 308.6 l/t (voir paragraphe 3.2b). Un prix franco usine d éthanol de 265 SFr/t a été envisagé. Les mélasses de betteraves sont acheminées par rail jusqu à l usine d éthanol implantée à Delémont depuis les sucreries d arberg (70 km) et Frauenfeld (170 km), en proportions égales. La distance moyenne de transport des mélasses jusqu à l usine s élève donc à 120 km. Par manque d information, les étapes de chargement/déchargement ne sont là non plus pas prises en compte. Une capacité de stockage des mélasses équivalente à 4 jours de production à capacité nominale (soit 1'700 m 3 ) a été considérée. En ce qui concerne la qualité des mélasses, une teneur en saccharose de 50% et une teneur en eau de 18% ont été retenues. Les diverses hypothèses concernant l approvisionnement en mélasses de l usine de bioéthanol sont reprises dans le Tableau 3.2. Dans chaque cas, la source des informations est précisée. Tableau 3.2 Hypothèses concernant l approvisionnement en céréales de l usine d éthanol Paramètres Références Sources Capacité de traitement de l usine 40'820 t/an Interis Quantités annuelles traitées 20'000 t/an Planair Taux de charge de l usine 49.0% - CV de la production de sucre llocation économique LSEN, ZF Transport jusqu à l usine d éthanol 120 km, par rail Planair, LSEN Stockage des céréales sur le site de l usine 4 jours (soit 1'700 m 3 ) Planair Teneur en eau des mélasses 18% Planair, Interis Teneur en saccharose des mélasses 50% Planair, Interis Prix des mélasses franco usine 265 SFr/t Planair, ZF EPFL - LSEN Page 14

Une analyse de cycle de vie de la production de sucre à partir de betteraves a été réalisée afin d évaluer l impact occasionné par la production des mélasses. Cette CV repose sur une description détaillée du procédé, fournie par M. H. Fankhauser de la sucrerie d arberg. L allocation des ressources consommées et des charges environnementales a été effectuée selon les valeurs économiques respectives des différents produits (sucre cristallisé, mélasses, pulpes) sur le marché suisse, en accord avec l approche retenue pour l ensemble de l étude. c. Pommes de terre La culture de pommes de terre pour la production d éthanol-carburant n est en elle-même pas économiquement rentable. Swisspatat estime à ce titre qu une production dédiée de pommes de terre riches en amidon (20%), non triées, coûterait encore 200 SFr/t. La contribution de la matière première au coût de production de l éthanol serait alors de 1.60 SFr/l. Par contre, la valorisation d une partie des excédents dans la filière éthanol est prometteuse, en particulier pour remplacer les quantités valorisées par séchage, car la Confédération paye actuellement (via Swisspatat) 45 SFr/t net aux entreprises de séchage pour couvrir les frais, en plus des 180 SFr/t versés aux agriculteurs. En mettant cette quantité gratuitement à disposition pour une production d éthanol, la Confédération pourrait économiser 45 SFr/t. Dans le cadre de cette étude, la teneur moyenne en amidon est fixée à 15%. Le prix moyen des pommes de terre franco centre de chargement CFF est évalué de la manière suivante : jusqu à 45'000 t, le prix est de 32.50 SFr/t ; les 10'000 t suivantes reviennent à 82.50 SFr/t ; au-delà de 55'000 t, lcosuisse bénéficie enfin d un prix de 140.50 SFr/t. Viennent s ajouter les frais de transport depuis le centre de chargement CFF jusqu à l usine de bioéthanol, composés d un forfait fixe de 15 SFr/t pour la prise en charge de l opération et d une taxe proportionnelle à la distance parcourue de 10 SFr/t par 100 km. Le prix de revient moyen des pommes de terre livrées à l usine dépend donc de la quantité de pommes de terre traitées par année (Planair, 2004). Les quantités de pommes de terre envisagées s élèvent ici à 100'000 t/an pour une production d éthanol de l ordre de 9.3 Ml/an (Maguin Interis, 2004), soit un rendement de 93.2 l/t (voir paragraphe 3.2b). Le prix moyen franco usine de bioéthanol est évalué selon les conditions décrites plus haut et se monte dans le cas présent à 116 SFr/t. En termes d analyse de cycle de vie (CV), la culture de référence est la pomme de terre, en production intégrée. La teneur en eau, selon la base de données EcoInvent est de 78% à la production. Une distance moyenne de 15 km est envisagée pour le transport des pommes de terre depuis l exploitation jusqu au centre régional de collecte. Le transport est effectué par l agriculteur lui-même au moyen d un tracteur équipé d une remorque d une capacité de 8 tonnes. Les étapes de chargementdéchargement le long de la chaîne d approvisionnement ne sont pas prises en compte. Une consommation d électricité de 7 kwh par tonne a été prise en compte pour le tri et le séchage des pommes de terre. Le stockage a également été considéré. La distance moyenne de transport depuis les centres de collecte jusqu à l usine d éthanol est calculée en fonction de la provenance. Les pommes de terre sont acheminées jusqu à Delémont depuis les centres régionaux d Orbe (133 km), Moudon (160 km) et Payerne (140 km). La distance moyenne s élève donc ainsi à 145 km. Le transport est effectué par rail. Une capacité de stockage équivalente à 4 jours de production à capacité nominale (soit 7 100 m 3 ) a été considérée sur le site de l usine. Concernant la qualité des pommes de terre, des teneurs en amidon de 15% et en eau de 75% ont été retenues. Les différentes hypothèses concernant l approvisionnement de l usine d éthanol en pommes de terre sont reprises dans le Tableau 3.3. Dans chacun des cas, la source est précisée. EPFL - LSEN Page 15

Tableau 3.3 Hypothèses concernant l approvisionnement en pommes de terre de l usine d éthanol Paramètres Références Sources Type de culture envisagé Production intégrée EcoInvent, LSEN Capacité de traitement de l usine 117'210 t/an Interis Quantités annuelles traitées 100'000 t/an Planair Taux de charge de l usine 85.3% - Transport jusqu au centre de collecte 15 km, par tracteur Planair, LSEN Energie de tri et séchage (par tonne de MP) 7 kwh d électricité Planair, FSPC Transport jusqu à l usine d éthanol 145 km, par rail Planair Stockage tampon sur le site de l usine 4 jours (soit 7'100 m 3 ) Planair Teneur en eau des pommes de terre 75% Planair, Interis Teneur en amidon des pommes de terre 15% Planair, Interis Prix des pommes de terre franco usine 116 SFr/t Planair, Fenaco 3.2 Production d Etha+ Cette deuxième section insiste plus particulièrement sur le procédé proposé par Maguin Interis S pour la conversion en bioéthanol des différents substrats envisagés (céréales, mélasses de betteraves, pommes de terre). Le procédé est d abord décrit de façon qualitative, puis selon une approche quantitative par laquelle la modélisation des flux de matières et d énergie est explicitée de façon rigoureuse afin d obtenir un inventaire global des ressources consommées et des émissions polluantes tout au long du procédé. La description de la production d Etha+ concerne la production d éthanol-carburant à partir de céréales, de mélasses de betteraves et de pommes de terre, au sein d une installation située sur le site d lcosuisse à Delémont. La capacité de production envisagée est de 1'500 hl/jour d'éthanol déshydraté pour les filières céréales et mélasses et de 1'300 hl/jour pour la filière pomme de terre. La capacité retenue ainsi que les données de référence relatives aux matières premières font suite à l'inventaire des ressources de matières premières, établi par Planair S (Planair S, 2002). a. Description technique du procédé La description technique de l installation et du procédé de conversion des différentes matières premières en éthanol est reprise et adaptée (selon la mise à jour des données), depuis l étude préliminaire d Interis (Maguin Interis, 2002). La mise à jour des données, concernant à la fois la morphologie du procédé et l inventaire des ressources et de l énergie consommée, s est prolongée de façon continue, selon les informations à disposition. L'unité de production a été conçue de façon à traiter différentes matières premières (céréales, mélasses de betteraves et pommes de terre). Compte tenu de leurs disponibilités respectives, les matières premières seront traitées par campagnes réparties au cours de l'année, à savoir, les céréales de janvier à juin (soit 6 mois), les mélasses de juillet à septembre (3 mois) et les pommes de terre d octobre à décembre (3 mois). La production de bioéthanol dans une telle installation nécessite plusieurs ateliers de procédé, certains étant communs à l'ensemble des matières premières, d'autres au contraire spécifiques à l une d entre elles. La Figure 3.2 offre une vue d ensemble du diagramme de l usine multi-matières de production de bioéthanol et montre l'organisation globale de l'installation, pour chacune des filières céréales (Figure 3.2a), mélasses (Figure 3.2b) et pommes de terre (Figure 3.2c). EPFL - LSEN Page 16

La production d'alcool à partir de petit lait, initialement envisagée, n'est pas intégrée à cette étude, compte tenu de sa spécificité (nature et capacité) et de la nécessité de traiter ce petit lait en continu tout au long de l'année. (a) céréales (b) mélasses (c) pommes de terre Figure 3.2 Diagramme de l usine multi-matières de production de bioéthanol Le diagramme de production simplifié présenté sur la Figure 3.2 montre l'organisation globale de l'unité. Les différents ateliers sont repris dans le Tableau 3.4. Tableau 3.4 Liste des différents ateliers de l usine de production d Etha+ (Maguin Interis, 2002) telier Réf. Interis Spécificité Broyage des céréales 100 Céréales Râpage des pommes de terre 200 Pommes de terre Liquéfaction et saccharification 300 Céréales et pommes de terre Fermentation 400 Commun Distillation 500 Commun Pré-concentration des vinasses 600 Commun Séparation des drêches de céréales 700 Céréales et pommes de terre Déshydratation 800 Commun Séchage et granulation des DDGS 900 Céréales et pommes de terre Concentration des vinasses de mélasses 1000 Mélasses et pommes de terre L atelier de broyage des céréales a pour objet d'obtenir, à partir des grains (blé ou maïs), une mouture ayant une granulométrie moyenne de 0.6 mm, n'excédant pas 1 mm, avec une teneur en farine (< 0.15 mm) aussi faible que possible (environ 5 %). Cette opération est effectuée par des broyeurs à marteaux. L atelier de râpage des pommes de terre a pour objet de produire une pulpe de pommes de terre. La râpe est alimentée à partir d'une auge réceptionnant les pommes de terre. En tournant, le tampon de la râpe déchiquette les pommes de terre qui sont ensuite reprises par une vis et stockées dans un bac tampon. EPFL - LSEN Page 17

L atelier de liquéfaction et saccharification a pour but de transformer la mouture de céréales et la pulpe de pommes de terre en un moût fermentescible, par hydrolyse de l'amidon contenu dans la mouture. Le procédé proposé est une hydrolyse enzymatique. Les enzymes mises en œuvre ont pour objet de rompre les liaisons glucidiques de la macromolécule d'amidon afin d'obtenir des sucres fermentescibles. Deux types d'enzymes sont utilisés, à savoir une enzyme alpha-amylase qui hydrolyse les liaisons 1-4 pour la partie liquéfaction, et une enzyme amylo-glucosidase qui hydrolyse les liaisons α1-4 et α1-6. La ligne de liquéfaction/saccharification fonctionne en continu et comprend (1) l'étape d'empâtage de la mouture de céréale à 45 C ou de cuisson de la pulpe de pomme de terre à 100-105 C, (2) l'étape de liquéfaction (2 heures à 90 C dans deux cuves), et (3) l'étape de saccharification (15 heures environ à 60 C dans trois cuves). Cette dernière réaction est lente et se poursuit pendant l étape de fermentation, qui suit immédiatement la saccharification. L unité de fermentation vise à produire un vin à 8-10% (vol.) d éthanol, à partir des mélasses de betteraves et du moût obtenu à l issue de l étape de liquéfaction saccharification pour les céréales et les pommes de terre. La fermentation fonctionne en régime continu et comprend deux étapes successives, à savoir (1) la pré-fermentation d'une partie des moûts, destinée à produire des levures nécessaires à la fermentation alcoolique, et (2) la fermentation alcoolique qui a pour objet de transformer le sucre en alcool par l'intermédiaire des levures. La durée de fermentation est de 30 à 35 heures, suivant les matières premières. Le degré des vins obtenus varie de 7.5% (vol.) pour les pommes de terre à 9-10% (vol.) pour les mélasses et les céréales. Compte tenu des spécificités de chaque matière première, un recyclage partiel des vinasses, flegmasses et condensats est effectué (voir 3.2b), de façon à réduire le volume des effluents liquides. La ligne de fermentation comprend 3 cuves de pré-fermentation pour la croissance des levures, 5 cuves de fermentation alcoolique, et enfin 1 bac à vins. La variation du temps de séjour en fonction des matières premières est gérée en faisant fonctionner les cuves à différents coefficients de remplissage, par action sur des régulateurs de niveau. L atelier de distillation a pour objet de produire un flegme à 93% (vol.) d éthanol. L'unique colonne de distillation travaille sous vide et à basse température afin d éviter la détérioration des protéines et les problèmes d'encrassement. Dans le cas des mélasses, les vinasses issues du pied de la colonne sont directement envoyées vers l atelier de pré-concentration. Dans le cas des céréales et des pommes de terre, en revanche, les vinasses sont d abord clarifiées (dans l atelier de séparation des drêches) avant d être envoyées en pré-concentration. La distillation est couplée, au niveau énergétique, avec l'atelier de pré-concentration de façon à diminuer la consommation énergétique globale. La colonne de distillation est donc chauffée par injection directe de la vapeur produite dans le premier effet de la pré-concentration. L atelier de séparation des drêches de céréales vise à séparer la matière sèche insoluble de la matière sèche soluble contenue dans les vinasses de céréales et de pommes de terre. Cette étape permet ainsi d une part, d augmenter la quantité de vinasses recyclées en fermentation en diminuant la teneur en matière sèche (vinasses clarifiées) et d autre part, de diminuer la consommation énergétique et l investissement de l unité de séchage des drêches. Les vinasses de céréales et de pommes de terre sont stockées dans un bac tampon et reprises pour alimenter des décanteuses-centrifugeuses qui donnent ainsi lieu à deux flux sortants, à savoir (1) les drêches, où l on retrouve 30-40% de la matière sèche totale des vinasses, concentrées à 30%, et (2) les vinasses clarifiées dont la teneur en matière sèche ne dépasse pas 10%. Les drêches sont envoyées vers l atelier de séchage, alors que les vinasses clarifiées s écoulent par gravité dans un bac, une partie étant dirigée vers l atelier de pré-concentration et l autre recyclée en fermentation. EPFL - LSEN Page 18

L atelier de pré-concentration des vinasses a pour objectif de concentrer, par évaporation, les vinasses de céréales clarifiées et de pommes de terre et les vinasses de mélasses provenant directement de l atelier de distillation. L'évaporation est réalisée sur une unité à deux effets à contre-courant, chaque effet comprenant un groupe évaporateur-séparateur avec re-circulation forcée. Le 2 ème effet est chauffé par la vapeur de l'usine et la vapeur d'évaporation chauffe le 1 er effet. La vapeur d'évaporation du 1 er effet chauffe enfin la distillatrice par injection directe. La consommation nette de vapeur de la pré-concentration, et par conséquent la concentration en matières sèches des vinasses en sortie, dépend donc directement de la quantité de vapeur nécessaire lors de l étape de distillation et donc indirectement de la teneur en alcool du moût de fermentation. Selon les matières premières, la concentration des vinasses par évaporation permet d'obtenir (1) un sirop à environ 30% MS dans le cas des céréales et des pommes de terre, (2) des vinasses concentrées autour de 10-15% MS pour les mélasses de betteraves. La déshydratation du flegme (éthanol hydraté à 93% vol.) issu de la distillation est réalisée par adsorption sur des tamis moléculaires avec régénération par différence de pression. Cette étape de déshydratation n est pas couplée à la distillation, et la production d'éthanol-carburant n'est ainsi plus tributaire des discontinuités de fonctionnement de la distillation, elles-mêmes liées au changement de matières premières. Le flegme est surchauffé avant déshydratation, afin d éviter tout risque de condensation dans les adsorbeurs. La déshydratation est réalisée en phase vapeur, de manière cyclique et séquentielle : adsorption, désorption. L alternance des cycles rend cependant la production d éthanol déshydraté continue. L atelier de concentration des vinasses a pour objet de concentrer les vinasses de mélasses et de pommes de terre (ou plus correctement le sirop faible issu de pré-concentration), de façon à produire un sirop à 60% MS. La concentration est réalisée sur une unité à 4 effets à contrecourant, chaque effet comprenant un ensemble évaporateur-séparateur. De manière similaire à l unité de pré-concentration, le 4 ème effet est chauffé par la vapeur de l'usine et la vapeur d'évaporation chauffe le 3 ème effet et ainsi de suite jusqu'au 1 er effet. Dans le cas des vinasses de mélasses, ce sirop protéïné obtenu en sortie est utilisable pour l'alimentation animale. Dans le cas de pommes de terre, il est envoyé vers l unité de séchage et granulation. L atelier de séchage et granulation a pour but de sécher les drêches de céréales et de pommes de terre et d obtenir des drêches séchées (souvent communément appelées D.D.G.S 8 dans le cas des céréales) à 90-92% MS en granules, destinés à l alimentation animale. Pour les céréales comme pour les pommes de terre, le mélange sirop de vinasses et drêches est séché sur un sécheur tambour à chauffage direct, fonctionnant au gaz. Le produit sortant du sécheur est évacué par transport pneumatique vers des cyclones. L'air de séchage est recyclé par le ventilateur. Les buées de séchage sont lavées afin de respecter les normes d'émissions dans l'atmosphère. Le produit sec tombe dans une presse à granuler, puis dans un refroidisseur à air. Les pellets froids sont repris par élévateur vers un tamiseur. Les fines sont recyclées vers le mélangeur en amont du sécheur. Les pellets à la granulométrie requise sont stockés. b. Modélisation des flux de matière et d énergie De manière à établir un inventaire le plus complet possible des ressources consommées et des émissions directes occasionnées au long du procédé de production de l éthanol, un modèle des flux de matière et d énergie conçu par le LSEN a été appliqué dans le cadre de cette 8 Distiller's Dried Grains with Solubles, co-produit de la production d éthanol à partir de céréales (par exemple blé, orge, etc.), utilisé comme aliment protéinique pour les animaux en remplacement, par exemple, du tourteau de soja. Il s agit des drêches, mélangées aux vinasses concentrées (sirop) contenant les protéines solubles, puis séchées jusqu à une teneur en matière sèche de l ordre de 90% MS. EPFL - LSEN Page 19

étude. partir d une quantité de matières premières traitées par année, ce modèle établit, pour chacune des filières envisagées et selon des règles de fonctionnement spécifiques des différentes unités de l installation, les flux de matière circulant d une unité à une autre jusqu à l obtention de l éthanol et des co-produits, en tenant compte des compositions respectives des matières premières, des diverses réactions chimiques mises en jeu et des éventuels recyclages envisagés. Utilisant les informations fournies par Interis, ce modèle a permis dans un premier temps de valider ces données, puis d envisager la possibilité par la suite d identifier les paramètres déterminants relatifs au procédé lui-même et d effectuer ainsi une analyse de sensibilité des résultats de l CV par rapport à ces mêmes paramètres. Un extrait du modèle de flux est présenté sur la Figure 3.3, pour les étapes de liquéfaction et saccharification et de fermentation de la filière céréales. Comme on peut le voir sur la figure, chacun des flux mis en jeu au sein des différentes étapes est décrit selon une composition type figurant dans la toute première colonne. Le modèle consiste ainsi à suivre, tout au long du procédé, la composition des différents flux en tenant compte des réactions engagées et des opérations propres à chacune des étapes. Reposant sur une approche de bilan, le modèle assure l équilibre des masses d étape en étape. Figure 3.3 Extrait du modèle de flux établi dans le cadre de l étude la demande d Interis, certaines des clés du modèle ne sont pas présentées dans ce rapport, en ce qui concerne notamment les réactions de saccharification et de fermentation, ce pour des raisons de confidentialité. Certains des paramètres de bases sont cependant précisés dans le Tableau 3.5, pour chacune des filières (C, M, PdT). Tableau 3.5 Paramètres de base du modèle de flux Etapes / Paramètres C M PdT Recyclage des vinasses/vinasses clarifiées (% masse) 40.0% 00.0% 10.0% Recyclage des flegmasses et condensats (% masse) 25.0% 10.0% 12.1% Teneur en alcool du moût de fermentation (% vol.) 10.0% 09.0% 07.5% Rendement de conversion de l amidon (g éthanol /g amidon ) 0.494-0.494 Rendement de conversion du saccharose (g éthanol /g sucre ) - 0.491 - Teneur en alcool des flegmes de distillation (% vol.) 93.0% 93.0% 93.0% Teneur en alcool de l éthanol déshydraté (%vol.) 99.9% 99.9% 99.9% Teneur en matière sèche des co-produits (% masse) 92.0% 58.0% 90.0% EPFL - LSEN Page 20

Par manque d information, les huiles de fusel ainsi que les mauvais goûts (issus des unités de distillation et de déshydratation) n ont pas été considérés. L erreur introduite est cependant jugée négligeable, ces effluents liquides étant destinés à l unité de méthanisation (de même que les flegmasses et les condensats) et la charge polluante étant précisée pour l ensemble des effluents liquides. Les consommations de ressources (acide sulfurique, soude, enzymes, sels minéraux, levures, anti-mousses, etc.) et d énergie (vapeur et électricité) sont également prises en compte dans le modèle de façon paramétrée, au même titre que les émissions directes liées aux étapes de fermentation et de séchage des drêches. Le traitement des effluents liquides par méthanisation et le potentiel de production de biogaz est traité au paragraphe 3.4. L unité de production de chaleur (chaudière) et le circuit de refroidissement sont décrits dans le paragraphe 3.5. Le modèle décrit précédemment a ainsi permis d établir un diagramme complet des flux de matières et d énergie pour chacune des filières de production. Ces diagrammes sont présentés en base horaire à la Figure 3.4 à la Figure 3.6 et en base annuelle de la Figure 3.7 à la Figure 3.9. Les diagrammes des flux horaires reposent sur un fonctionnement pendant une heure à pleine charge (100% de la capacité), tandis que les diagrammes de flux annuels prennent en compte le taux effectif d utilisation de l usine (soit 88.7% pour les céréales, 49.0% pour les mélasses et 85.3% pour les pommes de terre). Ces diagrammes des flux constituent la base principale de l CV réalisée dans le cadre de cette étude, mais également celle de l analyse économique (plus particulièrement pour le calcul des coûts d exploitation variables) présentée au paragraphe 3.6. Il convient de noter que, si les flux horaires présentés dans les pages qui suivent sont proches des flux précisés dans les diagrammes des flux proposés par Interis dans ses communications du 13.02.2004 et du 18.02.2004, ils ne sont cependant pas strictement analogues à ces derniers, car issus du modèle de calcul décrit précédemment. Cette remarque s applique aussi aux consommations de ressources et d énergie tout au long du procédé ainsi qu aux diverses productions d effluents liquides et de co-produits. Les faibles écarts relevés nous confortent toutefois dans l idée que le modèle de flux reste malgré tout entièrement valide et l effet sur les résultats négligeable. 3.3 Valorisation des co-produits Comme il a été dit plus haut, la production d éthanol s accompagne d une production de coproduits dont la valorisation contribue de façon non négligeable à équilibrer le bilan financier de la production de bioéthanol. Le présent paragraphe vise à caractériser les différents coproduits issus des trois filières (en termes de quantités annuelles mais également en termes de composition) et aborde la question de la valorisation économique de ces co-produits sur le marché de l affourragement en Suisse. Pour chacune des différentes filières envisagées, les co-produits en question résultent d une concentration des vinasses issues de l étape de distillation (Figure 3.2). Les drêches séchées de céréales sont un produit commercialisable, largement utilisé à l heure actuelle, notamment en France, dans l industrie de l affourragement. Le sirop de vinasses de mélasses à 58% MS peut lui aussi être utilisé pour l alimentation animale, sans dépotassification. En revanche, la production des drèches séchées de pommes de terre reste encore, au stade actuel du projet, une hypothèse de travail (Maguin Interis, 2004). Leur obtention est envisagée, de manière similaire au cas de la filière céréales, par séchage d un mélange de drêches humides à 30% MS et de sirop de vinasses clarifiées et concentrées à 60% MS. La faisabilité reste encore à valider. EPFL - LSEN Page 21

C B Céréales 16'771.149 kg/hr Eau de process 0.000 kg/hr Unité de référence 1 heure Electricité 585.000 kwh/hr 0.000% 0.000 Broyage Moûture de blé 16'771.149 kg/hr Oxygène 3'290.184 kg/hr Gaz naturel 822.546 kg/hr 0.000% Eau de process 43'940.021 kg/hr 0.000% 0.000 0.000 Eau de process 12'942.115 kg/hr G Vapeur condensée 3'069.439 kg/hr Vapeur 2'390.021 kg/hr Vapeur 2'390.021 kg/hr H Vapeur condensée 12'259.102 kg/hr Vapeur 3'069.439 kg/hr Vinasses recyclées 0.000 kg/hr Electricité 0.000 kwh/hr Chaudière Vapeur 12'259.102 kg/hr Electricité 135.000 kwh/hr Liquéfaction Saccharification Moût saccharafié 32'103.286 kg/hr Dioxyde de carbone 2'262.001 kg/hr Vapeur d'eau 29'350.728 kg/hr Purge 14'050.000 kg/hr Petit-lait 0.000 kg/hr 0.000% 0.000 Oxygène 221.063 kg/hr Dioxyde de carbone 5'056.056 kg/hr Sels 40.625 kg/hr Eau de process 11'360.290 kg/hr Vinasses recyclées 25'311.971 kg/hr Fermentation Lavage des gaz Electricité 240.000 kwh/hr Moût fermenté 63'981.177 kg/hr 0.000% 0.000% 0.000 0.000 Eau de process 0.000 kg/hr Flegmasses rejetées 6'220.403 kg/hr Eau de process 0.000 kg/hr Ethanol anhydre 4'983.125 kg/hr Vapeur 10'424.588 kg/hr Huile de fusel 0.000 kg/hr D Vapeur 3'069.439 kg/hr Flegmasses rejetées 341.572 kg/hr Distillation Déshydratation Electricité 60.000 kwh/hr Mauvais goûts 0.000 kg/hr Electricité 20.000 kwh/hr Huile de fusel 0.000 kg/hr Ethanol hydraté 5'438.555 kg/hr Flegmasses recyclées 113.857 kg/hr Flegmasses recyclées 2'073.468 kg/hr Vapeur condensée 3'069.439 kg/hr Vinasses 60'673.340 kg/hr 0.000% 0.000 Electricité 300.000 kwh/hr Séparation Vinasses recyclées 20'195.258 kg/hr Vinasses 50'488.144 kg/hr Vinasses traitées 30'292.887 kg/hr Condensats rejetés 8'788.164 kg/hr Drèches 10'185.195 kg/hr 0.000% 0.000 E Eau de process 0.000 kg/hr Condensats recyclés 2'929.388 kg/hr Pré-concentration Vapeur 12'259.102 kg/hr Vapeur 10'424.588 kg/hr Electricité 480.000 kwh/hr Vapeur condensée 12'259.102 kg/hr Oxygène 2'123.451 kg/hr 0.000% Sirop de vinasses 8'150.747 kg/hr 0.000 Gaz naturel 530.863 kg/hr Drêches séchées 6'077.984 kg/hr Séchage Eau de process 0.000 kg/hr Dioxyde de carbone 1'459.873 kg/hr Electricité 580.000 kwh/hr Vapeur d'eau 13'452.400 kg/hr Figure 3.4 Diagramme des flux horaires relatifs à la filière céréales C D E G B H EPFL - LSEN Page 22

B Unité de référence 1 heure Oxygène 4'655.309 kg/hr Gaz naturel 1'163.827 kg/hr Eau de process 41'550.000 kg/hr 0.000% 0.000 G Vapeur condensée 3'068.885 kg/hr Vapeur 3'068.885 kg/hr H I Vapeur condensée 12'787.249 kg/hr Vapeur 12'787.249 kg/hr Vapeur condensée 9'214.011 kg/hr Vapeur 9'214.011 kg/hr Electricité 0.000 kwh/hr Chaudière Dioxyde de carbone 3'200.525 kg/hr Vapeur d'eau 30'118.611 kg/hr Purge 14'050.000 kg/hr Mélasses 20'250.404 kg/hr Petit-lait 0.000 kg/hr 0.000% 0.000 Oxygène 221.063 kg/hr Dioxyde de carbone 5'056.056 kg/hr ntimousses 40.625 kg/hr Eau de process 49'452.866 kg/hr Vinasses recyclées 5'276.264 kg/hr Fermentation Lavage des gaz Electricité 240.000 kwh/hr Moût fermenté 70'185.166 kg/hr 0.000% 0.000% 0.000 0.000 Eau de process 0.000 kg/hr Flegmasses rejetées 7062.756 kg/hr Eau de process 0.000 kg/hr Ethanol anhydre 4'983.125 kg/hr Vapeur 12'045.234 kg/hr Huile de fusel 0.000 kg/hr D Vapeur 3'068.885 kg/hr Flegmasses rejetées 409.887 kg/hr Distillation Déshydratation Electricité 60.000 kwh/hr Mauvais goûts 0.000 kg/hr Electricité 20.000 kwh/hr Huile de fusel 0.000 kg/hr Ethanol hydraté 5'438.555 kg/hr Flegmasses recyclées 45.543 kg/hr Flegmasses recyclées 784.751 kg/hr Vapeur condensée 3'068.885 kg/hr Vinasses recyclées 0.000 kg/hr Vinasses traitées 68'944.338 kg/hr Condensats rejetés 10'718.309 kg/hr 0.000% 0.000 E Eau de process 0.000 kg/hr Condensats recyclés 1'190.923 kg/hr Pré-concentration Vapeur 12'787.249 kg/hr Vapeur 12'045.234 kg/hr Electricité 480.000 kwh/hr Vapeur condensée 12'787.249 kg/hr Sirop de vinasses 44'989.872 kg/hr Condensats rejetés 29'295.427 kg/hr 0.000 F Eau de process 0.000 kg/hr Sirop de vinasses 12'439.397 kg/hr Concentration Vapeur 9'214.011 kg/hr Condensats recyclés 3'255.047 kg/hr Electricité 320.000 kwh/hr Vapeur condensée 9'214.011 kg/hr Figure 3.5 Diagramme des flux horaires relatifs à la filière mélasses D E F G B H I EPFL - LSEN Page 23

C B J Pommes-de-terre 58'139.608 kg/hr Eau de lavage 40'000.000 kg/hr Unité de référence 1 heure Electricité 420.000 kwh/hr 0.000% 0.000 Lavage et rapage Boues 40'000.000 kg/hr Pommes-de-terre rapées 58'139.608 kg/hr Gaz naturel 1'002.117 kg/hr Eau de process 43'733.023 kg/hr 0.000% Oxygène 4'008.468 kg/hr 0.000% 0.000 0.000 C D E F Eau de process 0.000 kg/hr G Vapeur condensée 2'659.701 kg/hr Vapeur 2'183.023 kg/hr Vapeur 2'183.023 kg/hr H Vapeur condensée 16'744.001 kg/hr Vapeur 2'659.701 kg/hr Vinasses recyclées 0.000 kg/hr I Vapeur condensée 6'824.323 kg/hr Chaudière Vapeur 16'744.001 kg/hr Electricité 100.000 kwh/hr Electricité 0.000 kwh/hr Vapeur 6'824.323 kg/hr Liquéfaction Saccharification Moût saccharifié 60'322.631 kg/hr Dioxyde de carbone 2'755.822 kg/hr Vapeur d'eau 29'754.763 kg/hr Purge 14'050.000 kg/hr Petit-lait 0.000 kg/hr 0.000% 0.000 Oxygène 191.587 kg/hr Dioxyde de carbone 4'381.909 kg/hr Sels 35.208 kg/hr Eau de process 4'732.228 kg/hr Vinasses recyclées 12'479.185 kg/hr Fermentation Lavage des gaz Electricité 240.000 kwh/hr Moût fermenté 73'378.930 kg/hr 0.000% 0.000% 0.000 0.000 Eau de process 0.000 kg/hr Flegmasses rejetées 6'314.992 kg/hr Eau de process 0.000 kg/hr Ethanol anhydre 4'318.702 kg/hr Vapeur 12'976.451 kg/hr Huile de fusel 0.000 kg/hr D Vapeur 2'659.701 kg/hr Flegmasses rejetées 346.792 kg/hr Distillation Déshydratation Electricité 60.000 kwh/hr Mauvais goûts 0.000 kg/hr Electricité 20.000 kwh/hr Huile de fusel 0.000 kg/hr Ethanol hydraté 4'713.407 kg/hr Flegmasses recyclées 47.913 kg/hr G Flegmasses recyclées 872.488 kg/hr Vapeur condensée 2'659.701 kg/hr Vinasses 74'454.494 kg/hr 0.000 0.000 Electricité 300.000 kwh/hr Séparation Vinasses recyclées 6'736.263 kg/hr Vinasses clarifiées 67'362.630 kg/hr Vinasses traitées 60'626.367 kg/hr Condensats rejetés 13'723.130 kg/hr Drèches 7'091.864 kg/hr 0.000% 0.000 B H Eau de process 0.000 kg/hr Condensats recyclés 1'896.006 kg/hr Pré-concentration Gaz naturel 319.121 kg/hr E Vapeur 16'744.001 kg/hr Vapeur 12'976.451 kg/hr Eau de process 0.000 kg/hr Electricité 480.000 kwh/hr Vapeur condensée 16'744.001 kg/hr 0.000% Sirop faible 32'030.780 kg/hr Condensats rejetés 21'181.874 kg/hr 0.000 0.000 J I Oxygène 1'276.484 kg/hr Drêches séchées 7'645.549 kg/hr Eau de process 0.000 kg/hr Condensats recyclés 2'926.515 kg/hr Séchage Concentration Sirop de vinasses 7'922.391 kg/hr Dioxyde de carbone 877.583 kg/hr F Vapeur 6'824.323 kg/hr Sirop de vinasses 7'922.391 kg/hr Electricité 580.000 kwh/hr Vapeur d'eau 8'086.729 kg/hr Electricité 320.000 kwh/hr Vapeur condensée 6'824.323 kg/hr Figure 3.6 Diagramme des flux horaires relatifs à la filière pommes de terre EPFL - LSEN Page 24

C B Céréales 60'000.000 t/an Eau de process 0.000 t/an Unité de référence 1 année Electricité 2'092.880 MWh/an 0.000% 0.000 Broyage Moûture de blé 60'000.000 t/an Oxygène 11'770.871 t/an Gaz naturel 2'942.718 t/an 0.000% Eau de process 157'198.605 t/an 0.000% 0.000 0.000 Eau de process 46'301.354 t/an G Vapeur condensée 10'981.141 t/an Vapeur 8'550.474 t/an Vapeur 8'550.474 t/an H Vapeur condensée 43'857.824 t/an Vapeur 10'981.141 t/an Vinasses recyclées 0.000 t/an Electricité 0.000 MWh/an Chaudière Vapeur 43'857.824 t/an Electricité 482.972 MWh/an Liquéfaction Saccharification Moût saccharafié 114'851.828 t/an Dioxyde de carbone 8'092.474 t/an Vapeur d'eau 105'004.354 t/an Purge 50'264.891 t/an Petit-lait 0.000 t/an 0.000% 0.000 Oxygène 790.867 t/an Dioxyde de carbone 18'088.407 t/an Sels 145.339 t/an Eau de process 40'642.258 t/an Vinasses recyclées 90'555.406 t/an Fermentation Lavage des gaz Electricité 858.617 MWh/an Moût fermenté 228'897.290 t/an 0.000% 0.000% 0.000 0.000 Eau de process 0.000 t/an Flegmasses rejetées 22'253.940 t/an Eau de process 0.000 t/an Ethanol anhydre 17'827.492 t/an Vapeur 37'294.716 t/an Huile de fusel 0.000 t/an D Vapeur 10'981.141 t/an Flegmasses rejetées 1'222.000 t/an Distillation Déshydratation Electricité 214.654 MWh/an Mauvais goûts 0.000 t/an Electricité 71.551 MWh/an Huile de fusel 0.000 t/an Ethanol hydraté 19'456.824 t/an Flegmasses recyclées 407.333 t/an Flegmasses recyclées 7'417.980 t/an Vapeur condensée 10'981.141 t/an Vinasses 217'063.261 t/an 0.000% 0.000 Electricité 1'073.272 MWh/an Séparation Vinasses recyclées 72'249.996 t/an Vinasses 180'624.989 t/an Vinasses traitées 108'374.993 t/an Condensats rejetés 31'440.292 t/an Drèches 36'438.273 t/an 0.000% 0.000 E Eau de process 0.000 t/an Condensats recyclés 10'480.097 t/an Pré-concentration Vapeur 43'857.824 t/an Vapeur 37'294.716 t/an Electricité 1'717.235 MWh/an Vapeur condensée 43'857.824 t/an Oxygène 7'596.800 t/an 0.000% Sirop de vinasses 29'159.888 t/an 0.000 Gaz naturel 1'899.200 t/an Drêches séchées 21'744.428 t/an Séchage Eau de process 0.000 t/an Dioxyde de carbone 5'222.800 t/an Electricité 2'074.992 MWh/an Vapeur d'eau 48'126.933 t/an Figure 3.7 Diagramme des flux annuels relatifs à la filière céréales C D E G B H EPFL - LSEN Page 25

B Unité de référence 1 année Oxygène 4'597.744 t/an Gaz naturel 1'149.436 t/an Eau de process 41'036.218 t/an 0.000% 0.000 G Vapeur condensée 3'030.937 t/an Vapeur 3'030.937 t/an H I Vapeur condensée 12'629.129 t/an Vapeur 12'629.129 t/an Vapeur condensée 9'100.076 t/an Vapeur 9'100.076 t/an Electricité 0.000 MWh/an Chaudière Dioxyde de carbone 3'160.949 t/an Vapeur d'eau 29'746.183 t/an Purge 13'876.266 t/an Mélasses 20'000.000 t/an Petit-lait 0.000 t/an 0.000% 0.000 Oxygène 218.329 t/an Dioxyde de carbone 4'993.536 t/an ntimousses 40.123 t/an Eau de process 48'841.361 t/an Vinasses recyclées 5'211.021 t/an Fermentation Lavage des gaz Electricité 237.032 MWh/an Moût fermenté 69'317.298 t/an 0.000% 0.000% 0.000 0.000 Eau de process 0.000 t/an Flegmasses rejetées 6975.423 t/an Eau de process 0.000 t/an Ethanol anhydre 4'921.507 t/an Vapeur 11'896.290 t/an Huile de fusel 0.000 t/an D Vapeur 3'030.937 t/an Flegmasses rejetées 404.818 t/an Distillation Déshydratation Electricité 59.258 MWh/an Mauvais goûts 0.000 t/an Electricité 19.753 MWh/an Huile de fusel 0.000 t/an Ethanol hydraté 5'371.305 t/an Flegmasses recyclées 44.980 t/an Flegmasses recyclées 775.047 t/an Vapeur condensée 3'030.937 t/an Vinasses recyclées 0.000 t/an Vinasses traitées 68'091.814 t/an Condensats rejetés 10'585.772 t/an 0.000% 0.000 E Eau de process 0.000 t/an Condensats recyclés 1'176.197 t/an Pré-concentration Vapeur 12'629.129 t/an Vapeur 11'896.290 t/an Electricité 474.065 MWh/an Vapeur condensée 12'629.129 t/an Sirop de vinasses 44'433.554 t/an Condensats rejetés 28'933.178 t/an 0.000 F Eau de process 0.000 t/an Sirop de vinasses 12'285.579 t/an Concentration Vapeur 9'100.076 t/an Condensats recyclés 3'214.798 t/an Electricité 316.043 MWh/an Vapeur condensée 9'100.076 t/an Figure 3.8 Diagramme des flux annuels relatifs à la filière mélasses D E F G B H I EPFL - LSEN Page 26

C B J Pommes-de-terre 100'000.000 t/an Eau de lavage 68'799.914 t/an Unité de référence 1 année Electricité 722.399 MWh/an 0.000% 0.000 Lavage et rapage Boues 68'799.914 t/an Pommes-de-terre rapées 100'000.000 t/an Gaz naturel 1'723.639 t/an Eau de process 75'220.705 t/an 0.000% Oxygène 6'894.557 t/an 0.000% 0.000 0.000 C D E F Eau de process 0.000 t/an G Vapeur condensée 4'574.681 t/an Vapeur 3'754.795 t/an Vapeur 3'754.795 t/an H Vapeur condensée 28'799.646 t/an Vapeur 4'574.681 t/an Vinasses recyclées 0.000 t/an I Vapeur condensée 11'737.822 t/an Chaudière Vapeur 28'799.646 t/an Electricité 172.000 MWh/an Electricité 0.000 MWh/an Vapeur 11'737.822 t/an Liquéfaction Saccharification Moût saccharifié 103'754.795 t/an Dioxyde de carbone 4'740.008 t/an Vapeur d'eau 51'178.129 t/an Purge 24'165.970 t/an Petit-lait 0.000 t/an 0.000% 0.000 Oxygène 329.530 t/an Dioxyde de carbone 7'536.874 t/an Sels 60.558 t/an Eau de process 8'139.422 t/an Vinasses recyclées 21'464.171 t/an Fermentation Lavage des gaz Electricité 412.799 MWh/an Moût fermenté 126'211.602 t/an 0.000% 0.000% 0.000 0.000 Eau de process 0.000 t/an Flegmasses rejetées 10'861.773 t/an Eau de process 0.000 t/an Ethanol anhydre 7'428.158 t/an Vapeur 22'319.468 t/an Huile de fusel 0.000 t/an D Vapeur 4'574.681 t/an Flegmasses rejetées 596.481 t/an Distillation Déshydratation Electricité 103.200 MWh/an Mauvais goûts 0.000 t/an Electricité 34.400 MWh/an Huile de fusel 0.000 t/an Ethanol hydraté 8'107.050 t/an Flegmasses recyclées 82.411 t/an G Flegmasses recyclées 1'500.677 t/an Vapeur condensée 4'574.681 t/an Vinasses 128'061.570 t/an 0.000 0.000 Electricité 515.999 MWh/an Séparation Vinasses recyclées 11'586.358 t/an Vinasses clarifiées 115'863.578 t/an Vinasses traitées 104'277.220 t/an Condensats rejetés 23'603.754 t/an Drèches 12'197.991 t/an 0.000% 0.000 B H Eau de process 0.000 t/an Condensats recyclés 3'261.126 t/an Pré-concentration Gaz naturel 548.887 t/an E Vapeur 28'799.646 t/an Vapeur 22'319.468 t/an Eau de process 0.000 t/an Electricité 825.599 MWh/an Vapeur condensée 28'799.646 t/an 0.000% Sirop faible 55'092.873 t/an Condensats rejetés 36'432.777 t/an 0.000 0.000 J I Oxygène 2'195.550 t/an Drêches séchées 13'150.327 t/an Eau de process 0.000 t/an Condensats recyclés 5'033.600 t/an Séchage Concentration Sirop de vinasses 13'626.495 t/an Dioxyde de carbone 1'509.440 t/an F Vapeur 11'737.822 t/an Sirop de vinasses 13'626.495 t/an Electricité 997.599 MWh/an Vapeur d'eau 13'909.156 t/an Electricité 550.399 MWh/an Vapeur condensée 11'737.822 t/an Figure 3.9 Diagramme des flux annuels relatifs à la filière pommes de terre EPFL - LSEN Page 27

Les drêches séchées de céréales et de pommes de terre, tout comme le sirop de vinasses de mélasses, ne sont pas utilisés en Suisse à l heure actuelle, et l adoption de ces produits par l industrie de l affourragement nécessite, selon les spécialistes de la branche (UF), des tests préalables, mais également, le cas échéant, une adaptation des équipements de dosage et de stockage (notamment pour les vinasses), et une introduction progressive, sur 2-3 ans avant la mise en service de l usine de production, dans les principales entreprises d affouragements mélangés (Planair S, 2003). Le Tableau 3.6 présente les caractéristiques spécifiques des différents co-produits issus du procédé, à savoir les drêches séchées de céréales et de pommes de terre, et le sirop de vinasses de mélasses. Tableau 3.6 Caractéristiques des co-produits issus de la production de bioéthanol Caractéristiques C M PdT Co-produits Drêches séchées Sirop de vinasses Drêches séchées Teneur en eau (% masse) 92.0% 58.0% 90.0% Prix franco usine d éthanol 270 SFr/t 130 SFr/t 260 SFr/t Quantités annuelles 21'740 t/an 12'290 t/an 13'150 t/an De même que pour les matières premières, les prix des co-produits sont le résultat d une estimation des valeurs marchandes respectives pour l année 2007, année envisagée pour la mise en service de l usine. Les prix sont précisés franco usine d éthanol (une charge de 25 SFr par tonne a été déduite du prix franco usine d affourragement afin de tenir compte des frais de transport sur une distance moyenne de distribution estimée par Planair à 115 km). Par ailleurs, tout comme le prix de vente des co-produits permet de réduire sensiblement le coût de production net du bioéthanol, leur valeur économique intervient de façon majeure lors du processus d allocation de l CV. Il est donc indispensable d avoir une estimation la plus exacte possible de la valeur économique future de tels co-produits. L analyse de sensibilité abordée plus loin envisage, à ce titre, l effet sur les résultats de l CV d une variation à la baisse puis à la hausse de la valeur marchande des co-produits. 3.4 Traitement des effluents liquides L appellation effluents liquides concerne ici en particulier les fractions non recyclées de flegmasses et condensats (issues respectivement des étapes de distillation et déshydratation et de pré-concentration et concentration). La purge de la chaudière ainsi que celle du circuit de refroidissement sont traitées dans le paragraphe 3.5. Il convient également de noter que les types de sécheur retenus permettent d obtenir des rejets conformes aux normes en vigueur en Suisse. Par conséquent, contrairement à ce qui était prévu initialement, il n y a pas lieu de prévoir d eau pour le lavage des fumées. près vérification auprès des professionnels de la distillation, il apparaît, selon Interis, que le recyclage des flegmasses et des condensats est actuellement limité à environ 20-25% du débit des flegmasses de distillation et des condensats de pré-concentration. Leurs calculs, à la base de modèle de flux du LSEN, intègrent ces valeurs tout en tenant compte de la spécificité des unités envisagées. Le Tableau 3.7 présente les quantités annuelles des divers effluents générés par l installation et envoyés en méthanisation. EPFL - LSEN Page 28

Tableau 3.7 Détail des effluents liquides envoyés en méthanisation, en conditions réelles Volumes annuels d effluents liquides (m 3 /an) C M PdT Flegmasses rejetées 23'480 07'380 11'460 Condensats rejetés 31'440 39'520 60'040 Total 54'920 46'900 71'500 Les valeurs précisées dans le Tableau 3.7 correspondent aux conditions réelles de production envisagées par lcosuisse pour le cadre de cette étude, soit un taux de charge de 88.7% pour les céréales, 49.0% pour les mélasses et 85.3% pour les pommes de terre. L installation de méthanisation, cependant, est dimensionnée de façon à être en mesure de traiter les effluents dans la situation de pointe. Dans sa communication du 18.02.2004, Interis envisage d ailleurs à ce propos, différentes situations de fonctionnement de l usine afin d évaluer les variables de dimensionnement de l unité de méthanisation. Trois situations sont ici envisagées, en accord avec les scénarios d Interis, à savoir : (1) situation réelle (fonctionnement de l usine à capacité réduite, tel qu il a été envisagé jusqu ici), (2) situation optimale (fonctionnement de l usine à capacité maximale), (3) situation de démarrage et périodes exceptionnelles (aucun recyclage des flegmasses ni des condensats n est envisagé). La charge polluante moyenne des effluents est de 6'500-10'000 mg DCO/l dans les deux premiers cas, et de 5'000-9'000 mg DCO/l dans le troisième cas. Le Tableau 3.8 reprend les caractéristiques principales de chacune des trois situations, en termes de volumes d effluents et de charges polluantes (DCO) à traiter au sein de l unité de méthanisation. Tableau 3.8 Charge polluante des effluents liquides dans différentes situations de fonctionnement Détails des différentes situations étudiées C M PdT (1) Situation de référence Nb. jours de fonctionnement (j/an) 149 (88.7%) 41 (49.0%) 72 (85.3%) Volumes annuels d effluents (m 3 /an) 54'920 46'900 71'500 Volumes journaliers d effluents (m 3 /j) 368 1'140 998 Charge polluante spécifique (g DCO/m 3 ) 6'500 à 10'000 / moyenne : 8'250 Charge polluante journalière (kg DCO/j) 3'040 9'400 8'230 (2) Fonctionnement à capacité maximale Nb. jours de fonctionnement (j/an) 168 (100.0%) 84 (100.0%) 84 (100.0%) Volumes annuels d effluents (m 3 /an) 61'890 95'730 83'800 Volumes journaliers d effluents (m 3 /j) 368 1'140 998 Charge polluante spécifique (g DCO/m 3 ) 6'500 à 10'000 / moyenne : 8'250 Charge polluante journalière (kg DCO/j) 3'040 9'400 8'230 (3) Démarrage et périodes exceptionnelles Nb. jours de fonctionnement (j/an) 168 (100.0%) 84 (100.0%) 84 (100.0%) Volumes annuels d effluents (m 3 /an) 83'380 106'620 104'800 Volumes journaliers d effluents (m 3 /j) 496 1'269 1'248 Charge polluante spécifique (g DCO/m 3 ) 5'000 à 9'000 / moyenne : 7'000 Charge polluante journalière (kg DCO/j) 3'470 8'890 8'730 Il ressort donc que l unité de méthanisation, compte tenu des différentes situations envisagées, doit avoir une capacité de traitement de l ordre de 1'300 m 3 /j et d environ 10'000 kg DCO/j. Il convient de noter que la valeur moyenne de la charge polluante spécifique a été EPFL - LSEN Page 29

utilisée, soit 8'250 g DCO/m 3 pour les deux premiers cas, et 7'000 g DCO/m 3 pour le troisième cas. Le design de l unité de traitement des effluents liquides est proposé par RWB S et repose sur une technologie classique de digestion anaérobie (USB, Upflow naerobic Sludge Blancket) et un traitement aérobie à biologie à membrane. La description de l équipement n est pas ici reprise en détail et le lecteur est prié de se référer à l étude de RWB (RWB, 2004) pour tout complément d information. La digestion anaérobie de composés organiques solubles permet des rendements de l ordre de 85% en DCO (RWB, 2004). La production de méthane par digestion anaérobie est de 0.35 m 3 par kg de DCO réduite. Dans les systèmes conventionnels, le biogaz se compose de 55-70% de méthane, le reste étant du CO 2. Dans beaucoup de systèmes à haute charge, en revanche, la concentration moyenne en méthane est supérieure à 85%, la différence étant liée à la digestion de composés organiques dissous plutôt que solides. Dans le cadre de la présente étude, une valeur moyenne de 75% a été adoptée, pour un pouvoir calorifique de 27 MJ/m 3 de biogaz. Il est envisagé ici que le biogaz produit est envoyé en partie à la chaudière et en partie à l atelier de séchage, proportionnellement aux consommations respectives des unités, et permet ainsi une certaine économie de gaz naturel. Le calcul de production de biogaz et d économie de gaz naturel est présenté dans le Tableau 3.9. Tableau 3.9 Production de biogaz et économie de gaz naturel au niveau procédé Paramètres de calcul de la production de biogaz C M PdT Nb. jours de fonctionnement (j/an) 149 41 72 Charge polluante journalière (kg DCO/j) 3'040 9'400 8'230 Production spécifique de méthane (m 3 /kg DCO réduite) 0.350 0.350 0.350 Teneur en méthane du biogaz (% vol.) 75% 75% 75% Production spécifique de biogaz (m 3 /kg DCO réduite) 0.467 0.467 0.467 Rendement de la phase anaérobie (%) 85% 85% 85% Production effective journalière de biogaz (m 3 /j) 1'210 3'730 3'260 Pouvoir calorifique du biogaz (MJ/m 3 ) 27.0 27.0 27.0 Energie produite sous forme de biogaz (GJ/j) 32.6 100.7 88.1 Consommation journalière de gaz naturel (GJ/j) 1'951.8 1'678.4 1'905.4 Pourcentage de gaz naturel économisé (%) 1.7% 6.0% 4.6% La production de biogaz par méthanisation des flegmasses et des condensats permet de réduire la consommation de gaz naturel de l ordre de 1.7% dans le cas des céréales, 6.0% dans le cas des mélasses et enfin 4.7% dans le cas des pommes de terre. La consommation de gaz naturel précisée sur les diagrammes des flux (Figure 3.4 à Figure 3.9) pour la production de chaleur et le séchage ne tiennent pas compte du biogaz et traduit la consommation brute de combustible. L économie liée à l utilisation du biogaz est appliquée au stade de l CV. Les eaux (ou boues) de lavage des pommes de terre constituent également l un des effluents majeurs liés au procédé. Par manque d information, cette étape de lavage n est pas ici décrite de manière détaillée. Selon TV, la quantité brute d eau de lavage nécessaire est de l ordre de 5-10 m 3 /t, tandis que seulement 0.5-1.0 m 3 /t sont envoyés à l épuration (RWB, 2004). Si ces eaux de lavage des pommes de terre sont aujourd hui largement recyclées (grâce notamment à la présence de bassins de décantation au sein de la boucle de recyclage), les rejets nécessitent cependant un traitement approprié, en raison du risque de contamination EPFL - LSEN Page 30

possible. Les rejets d eaux de lavage sont constitués de boues à environ 150 g/l (en fonction de la quantité de terre apportée par les pommes de terre). Selon la qualité des pommes de terre, la présence d amidon dans ces boues peut représenter jusqu à 0.1%. Selon Interis, ces rejets s élèvent à 40 m 3 /h, soit approximativement 0.7 m 3 par tonne de pommes de terre. Ces boues sont traitées dans un décanteur puis dans la biologie à membranes, et ne contribuent pas à la production de biogaz. 3.5 Services L appellation services comprend ici l unité de production de chaleur, l approvisionnement en eau (procédé et refroidissement) ainsi que le système de refroidissement de l usine. Chacun de ces éléments est ici décrit brièvement. a. Unité de production de chaleur La vapeur utilisée au cours des différentes étapes du procédé est produite par une chaudière à gaz naturel. Les consommations (horaires et annuelles) de vapeur figurent sur les diagrammes des flux, de la Figure 3.4 à la Figure 3.9. Les différentes unités utilisant essentiellement de la vapeur basse pression, l'utilisation d'un système de co-génération par turbine à gaz ou par turbine à vapeur permettrait de produire de l'électricité et éventuellement de réduire les coûts énergétiques. Cette option n est cependant pas envisagée dans cette étude, et l électricité est achetée sur le réseau. La purge de l eau de chaudière (0.3 m 3 /h) est directement traitée dans la biologie à membranes. b. Système d approvisionnement en eau L approvisionnement en eau de l usine d éthanol doit être en mesure de satisfaire les besoins en eau de procédé, l appoint de la chaudière et du circuit de refroidissement et l eau de lavage des pommes de terres pour la période d octobre à décembre. Les besoins en eau de l ensemble de l usine sont précisés dans le Tableau 3.10. Tableau 3.10 Besoins journaliers en eau de l usine d éthanol Besoins en eau selon les utilisations (m 3 /j) C M PdT Eau de procédé 0'583 1'187 0'113 ppoint de la chaudière 0'065 0'007 0'060 ppoint du circuit de refroidissement 0'990 0'990 0'990 Lavage des pommes de terre - - 0'960 Total 1'638 2'184 2'123 Il convient à ce propos de noter que, sur les diagrammes des flux (Figure 3.4 à Figure 3.9), la consommation d eau au niveau de la chaudière, pour des raisons pratiques, comprend à la fois l eau d appoint de la chaudière (afin de compenser la vapeur utilisée en injection directe à la saccharification et la purge de la chaudière), et l appoint du circuit de refroidissement. De manière similaire, sur ces mêmes diagrammes, la purge de la chaudière est combinée à celle du circuit de refroidissement. En ce qui concerne les eaux de lavage des pommes de terre, l hypothèse est faite ici que l eau de rivière non traitée peut être utilisée pour cet usage (RWB, 2004). EPFL - LSEN Page 31

Les besoins en eau sont assurés par l eau d une rivière voisine. L installation de traitement de cette eau de rivière, visant à satisfaire les critères de qualité de l eau de refroidissement et de procédé, comporte une première étape de coagulation, une étape de filtration sur sable et enfin une désinfection UV. L installation comprend par ailleurs une bâche d eau de lavage, ainsi qu une bâche d eau traitée. Il n y a en revanche pas de bâche d eau brute (RWB, 2004). Le dimensionnement de l installation ainsi que le prix de revient de l eau a été évalué par RWB (RWB, 2004). c. Système de refroidissement Le système de refroidissement intervient essentiellement au niveau des étapes de fermentation et de recouvrement de l éthanol (distillation et déshydratation). Le système envisagé ici utilise une tour de refroidissement, dissipant la chaleur dans l atmosphère et limitant sensiblement les quantités d eau dérivées de la rivière. Les besoins en eau d appoint pour le circuit de refroidissement (avec une marge de réserve de 20%) ont été évalués à 990 m 3 /j (Planair, 2004). De ce volume journalier prélevé à la rivière, deux tiers (soit 660 m 3 /j) sont évaporés dans la tour, tandis que le tiers restant (soit 330 m 3 /j) est directement restitué à la rivière, sans traitement. 3.6 nalyse économique de la production d Etha+ L analyse économique réalisée décrite ici vise essentiellement à évaluer le coût de production du bioéthanol, afin d effectuer l allocation des charges environnementales entre le bioéthanol et les différents co-produits (drêches séchées de céréales, de pommes de terre, et enfin sirop de vinasses de mélasses). Le calcul du coût de production repose sur une évaluation des dépenses annuelles ramenées à une unité de production, à savoir ici un litre de bioéthanol. Les dépenses annuelles sont décomposées en frais d investissement et frais d exploitation fixes et variables. Chacune de ces trois composantes est abordée de manière individuelle dans les paragraphes qui suivent. fin de pouvoir effectuer l allocation séparément pour chacune des trois filières envisagées, l analyse économique est ici réalisée de façon différentiée pour les céréales, les mélasses et les pommes de terre. Les dépenses communes à plusieurs filières sont réparties selon les durées respectives d utilisation, sachant que la production à partir de céréales s étale sur 6 mois (de janvier à juin), les mélasses sur 3 mois (de juillet à septembre) et les pommes de terre sur 3 mois également (d octobre à décembre). a. Frais annuels d investissement Le détail des investissements de l usine est précisé par Interis (Maguin Interis, 2002) pour la grande majorité des unités de traitement. L investissement pour les différents ateliers procédé comprend les études et l ingénierie, la fourniture des équipements, les travaux de génie civil d unité, la charpente métallique, les travaux de montage des équipements et des tuyauteries à l intérieur de chaque atelier et enfin le calorifuge. Les frais d investissement additionnels (fourniture d utilités, racks et liaisons de tuyauterie entre les unités, montage du système électrique et du contrôle, la coordination des travaux réalisés, équipement de stockage, etc.) ont été répartis entre les différentes unités de traitement au prorata des investissements spécifiques de chaque unité. L investissement pour l unité de production de chaleur a été réparti entre les unités de traitement selon leurs consommations respectives de vapeur. EPFL - LSEN Page 32

Les prix de revient de l eau (procédé et refroidissement) et du biogaz sont envisagés dans la description des coûts d exploitation variables annuels. Le détail des investissements par filière et par étape est précisé dans le Tableau 3.11. Tableau 3.11 Détail des investissements (ksfr) par étape et par filière Etapes de traitement C M PdT Total Broyage 03'120 - - 03'120 Râpage - - 01'250 01'250 Liquéfaction/Saccharification 04'910-02'450 07'360 Fermentation 01'860 00'940 00'940 03'740 Distillation 06'560 03'280 03'280 13'120 Déshydratation 03'510 01'750 01'750 07'010 Séparation 02'910-01'450 04'360 Pré-concentration 04'180 02'090 02'090 08'360 Séchage/Granulation 05'200-02'600 07'800 Concentration - 05'070 05'070 10'140 Total (ksfr) 32'250 13'130 20'880 66'260 Les frais annuels d investissement sont calculés à partir des investissements bruts au moyen du facteur d annuité. Selon Helbling, en considérant des durées d amortissement différentiées pour les bâtiments, le terrain, l équipement et les voies d accès, le facteur d annuité moyen est de l ordre de 0.09. Ce facteur permet ainsi d évaluer les frais annuels d investissement pour chacune des diverses filières et pour l ensemble de l usine. Les frais annuels d investissement s élèvent ainsi à 2'900 ksfr/an pour les céréales, 1'180 ksfr/an pour les mélasses, 1'880 ksfr/an pour les pommes de terre et enfin 5'960 ksfr/an pour l ensemble de l installation. b. Coûts d exploitation fixes annuels Les coûts d exploitation fixes comprennent les salaires, mais également les frais généraux, la maintenance, ainsi que tous les frais annuels liés aux assurances et aux taxes. Le nombre de personnes employées dans l usine a été évalué par R. Morand (Helbling) à 31 personnes. Le salaire moyen est d environ 85'000-90'000 SFr/an. Les frais généraux sont calculés selon un pourcentage (ici 60%) des dépenses annuelles de salaires, et comprennent tous les éléments tels que la sécurité, les bonus de salaires, l ingénierie générale, le téléphone, la lumière, le chauffage, la conciergerie, etc (Wooley, 1999). La maintenance de l usine est prise en compte selon un pourcentage (ici 2%) de l investissement total du projet. Il en est de même pour les assurances et les taxes, avec 1.5%. L ensemble des coûts d exploitation fixes est présenté dans le Tableau 3.12. La répartition selon les filières est effectuée au prorata des durées respectives d utilisation de l usine. Tableau 3.12 Détail des coûts d exploitation fixes annuels (ksfr) par filière Composantes de coûts C M PdT Total Salaires 1'360 0'680 0'680 2'720 Frais généraux 0'810 0'410 0'410 1'630 Maintenance 0'660 0'330 0'330 1'320 Taxes et assurances 0'500 0'250 0'250 1'000 Total (ksfr/an) 3'330 1'670 1'670 6'670 EPFL - LSEN Page 33

c. Coûts d exploitation variables annuels Les coûts d exploitation variables comprennent les dépenses liées à l approvisionnement en matières premières (céréales, mélasses, pommes de terre), en ressources (produits chimiques, levures, enzymes, eau, nutriments, etc.), en énergie (gaz, biogaz, électricité), mais également les dépenses liées au traitement des effluents. Les recettes des ventes des co-produits figurent également dans les coûts d exploitation variables. Le Tableau 3.13 précise les prix unitaires (franco usine d éthanol) des ressources consommées et des co-produits, ainsi que les sources pour chacune des valeurs. Tableau 3.13 Détail des prix unitaires des différentes ressources consommées dans le procédé (SFr) Ressources et co-produits Prix unitaire Source Céréales 500 SFr/t Planair Mélasses 116 SFr/t Planair Pommes de terre 265 SFr/t Planair cide sulfurique 165 SFr/t Planair Soude 195 SFr/t Planair ntimousses 3'020 SFr/t Interis Phosphates 821 SFr/t Interis Sulfates 194 SFr/t Interis Enzymes MG 5'690 SFr/t Interis Enzymes Celluclast 13'050 SFr/t Interis Enzymes Thermamyl 4'270 SFr/t Interis Levures S. cerevisiae 2'110 SFr/t Interis Eau de procédé et refroidissement 0.24 SFr/t RWB, LSEN Gaz naturel 32.50 SFr/MWh Helbling Biogaz 266.50 SFr/MWh RWB, LSEN Electricité 125 SFr/MWh Helbling Drêches séchées de céréales -270 SFr/t Planair Sirop de vinasses de mélasses -260 SFr/t Planair Drêches séchées de pommes de terre -130 SFr/t Planair Les prix des matières premières correspondent à une estimation selon UF des prix attendus franco usine d éthanol, pour les matières premières retenues, pour l année 2007. Les détails sont donnés au paragraphe 3.1. Les prix de l acide sulfurique et de la soude résultent de l offre la plus avantageuse (selon les quantités annuelles mises en jeu) faite à lcosuisse. Les prix des antimousses, phosphates, sulfates, tout comme ceux des enzymes et des levures sont issus de diverses offres faites à Interis dans le cadre de projets similaires au projet lcosuisse. Les prix de co-produits résultent d une estimation selon UF, pour l année 2007, des prix envisagés pour les divers co-produits valorisés sur le marché de l affouragement en Suisse. Les détails figurent au paragraphe 3.3. Les prix de l électricité et du gaz naturel proviennent d estimations de Helbling (Helbling, 2002). Les prix de l eau et du biogaz, enfin, sont issus du rapport de RWB pour le projet lcosuisse (RWB, 2004), précisant respectivement les investissements et coûts d exploitation du système d approvisionnement d eau et de la station d épuration liée à l usine d éthanol. En effet, afin de faciliter la répartition des coûts de deux installations entre les différentes unités de l usine (selon les consommations respectives d eau et de biogaz), le calcul du coût de production de EPFL - LSEN Page 34

l eau et du biogaz a été effectué séparément au calcul du coût de production de l éthanol. Pour le biogaz, l hypothèse a été faite que les effluents étaient cédés à la station d épuration, et que cette dernière restituait le biogaz à l usine à un prix lui permettant de rentrer dans ses frais. Le coût du biogaz (considérablement plus élevé que celui du gaz naturel) reflète donc le coût du traitement de l ensemble des effluents (y compris ceux ne contribuant pas à la production de biogaz) et de l élimination des boues issues de la phase aérobie. Le coût de l eau comprend les coûts de pompage, de traitement, de maintenance ainsi que les coûts d investissement. Le bilan des coûts d exploitation variables est présenté dans le Tableau 3.14. La contribution de chaque filière est directement liée aux consommations spécifiques de ressources au sein des différentes filières. insi, à titre d exemple, la consommation d enzymes est nulle pour la filière mélasses qui ne comporte pas d étape de saccharification. Tableau 3.14 Détail des coûts d exploitation variables annuels (SFr) par filière Composantes de coûts C M PdT Total Matières premières 30'000 5'300 11'600 46'900 cide sulfurique 111 31 46 188 Soude 109 0 46 155 ntimousses 34 9 14 57 Phosphates 92 36 61 189 Sulfates 9 6 5 20 Enzymes 596 0 249 843 Levures 57 16 24 97 Eau 58 21 36 115 Gaz 3'211 763 1'507 5'478 Electricité 1'073 138 542 1'753 Co-produits -5'870-1'600-3'420-10'890 Matières premières 30'000 5'300 11'600 46'900 Crédit co-produits -5'870-1'600-3'420-10'890 Total (hors MP et CP) 5'350 1'020 2'530 8'900 Total (SFr/an) 29'480 4'720 10'710 44'910 d. Coût de production de l Etha+ Le calcul des trois composantes des frais annuels de l installation a ainsi permis d évaluer le coût de production global, mais également par filière, de l Etha+. Le coût de production brut est obtenu en divisant la somme des dépenses annuelles (hors co-produits) par la production annuelle d éthanol. La structure du coût de production brut est illustrée dans la Figure 3.10 pour chaque filières et pour l ensemble de l usine (toutes filières confondues). Il ressort des graphes présentés que dans tous les cas, la matière première représente de loin la part la plus importante (entre 58% et 72%) du coût de production brut de l éthanol. insi, malgré la nature des matières retenues pour la production d éthanol-carburant (surplus agricoles, etc.), le prix des matières premières semble malgré tout le déterminant le plus significatif du coût de production de l éthanol. Les parts respectives de l investissement, des frais d exploitation fixes et des frais d exploitation variables (hors matières premières) sont en revanche du même ordre de grandeur, soit 10-15% du coût de production brut. EPFL - LSEN Page 35

13% 8% 7% 72% Matières premières Coûts d'exploitation variables (hors matières premières) Coûts d'exploitation fixes (a) céréales Coûts d'investissement 18% 13% 58% 11% (b) mélasses 10% 9% 68% 9% 10% 67% 14% 13% (c) pommes de terre (d) ensemble de l usine d éthanol Figure 3.10 Structure du coût de production brut de l éthanol par filière et pour l ensemble de l usine Le coût de production net est obtenu en soustrayant au coût de production brut, les bénéfices de la vente des co-produits, ramenés à une unité de production (ici 1 litre d éthanol). Tous les résultats de l analyse économique sont présentés dans le Tableau 3.15, en base annuelle dans un premier temps, puis par litre d éthanol produit. Tableau 3.15 Détail des coûts de production par filière et pour l ensemble de l usine Paramètres du coût de production C M PdT Total Coût des matières premières (ksfr/an) 30'000 5'300 11'600 46'900 Coûts d exploitation variables (ksfr/an) 5'350 1'020 2'530 8'900 Coûts d exploitation fixes (ksfr/an) 3'330 1'670 1'670 6'670 Coûts de l investissement (ksfr/an) 2'900 1'180 1'880 5'960 Vente des co-produits (ksfr/an) -5'870-1'600-3'420-10'890 Production d éthanol (10 3 l/an) 22'430 6'190 9'340 37'960 Coût de production brut (SFr/l) 1.86 1.46 1.88 1.80 Crédit lié à la vente des co-produits (SFr/l) -0.26-0.26-0.36-0.28 Coût de production net (SFr/l) 1.60 1.22 1.52 1.52 Le coût de production moyen de l Etha+ s élève ainsi à 1.52 SFr/l. Les coûts de production spécifiques des filières céréales, mélasses et pommes de terre sont respectivement de 1.60, 1.22 et 1.52 SFr/l. Ces coûts de production s appliquent aux trois filières envisagées dans le contexte précis décrit tout au long du chapitre 3, compte tenu de la disponibilité et du prix des différentes matières premières, du choix de l usine multi-matières, des périodes de production envisagées, du taux de charge de l usine, des conditions cadres relatives à la valorisation des co-produits, etc. insi, le calcul du coût de production d une usine d éthanol exclusivement basée sur des céréales (par exemple) n aboutirait pas forcément au résultat obtenu ici pour la EPFL - LSEN Page 36

filière céréales. Cette remarque est également valable pour les résultats de l analyse de cycle de vie et sera discutée plus loin dans ce rapport. e. Calcul d allocation L analyse économique présentée dans le paragraphe précédent a pour but essentiel le calcul des facteurs d allocation propres au bioéthanol et aux co-produits, pour chacune des filières envisagées. L analyse économique a ainsi également été effectuée par étapes de production du bioéthanol, pour chacune des filières, afin d évaluer le coût de chaque étape. Les résultats de l analyse économique par étape sont présentés dans le Tableau 3.16. Tableau 3.16 Détail des coûts globaux de traitement (ksfr/an) par étape et par filière Etapes de traitement C M PdT Total Broyage 00'860 - - 00'860 Râpage - - 00'340 00'340 Liquéfaction/Saccharification 01'900-00'950 02'850 Fermentation 00'740 00'370 00'370 01'480 Distillation 02'310 01'160 01'160 04'630 Déshydratation 00'940 00'470 00'470 01'880 Séparation 00'690-00'340 01'030 Pré-concentration 01'170 00'580 00'580 02'330 Séchage/Granulation 02'330-01'160 03'490 Concentration - 01'320 01'320 02'640 Total (ksfr/an) 10'940 03'900 6'890 21'530 Les coûts présentés dans le Tableau 3.16 comprennent à la fois les frais d exploitation fixes et variable et les coûts liés à l investissement. L allocation des frais d exploitation fixes entre les étapes a été effectuée selon les investissements spécifiques respectifs des étapes. On retrouve, par ailleurs, le total des coûts opérationnels fixes (6'670 ksfr/an) et variables (8'900 ksfr/an) et des coûts d investissements (5'960 ksfr/an) du Tableau 3.15, soit 21'530 ksfr/an. L évaluation des coûts spécifiques des différentes étapes permet ainsi, par une approche dite du shadow price d évaluer la valeur économique des produits intermédiaires du procédé, pour chacune des filières. L approche du shadow price est ici appliquée sur une base annuelle, et présentée sur la Figure 3.11 pour la filière céréales, sur la Figure 3.12 pour les mélasses, et sur la Figure 3.13 pour les pommes de terre. Cette approche consiste ainsi à évaluer, à partir des recettes liées à la vente de l éthanol et des co-produits et en déduisant les coûts associés aux différentes étapes mises en jeu, un prix fictif (shadow price) au point de séparation (ici, l étape de distillation), des produits intermédiaires sortant (ici, l éthanol hydraté et les vinasses), et ce pour chacune des filières. fin d illustrer l approche de manière plus concrète, le calcul complet est ici effectué, à titre d exemple, pour le cas de la filière céréales. Le shadow price de l éthanol hydraté issu de la distillation est ici égal à la valeur marchande de l éthanol anhydre 9 (34'090 ksfr/an) moins le coût de la déshydratation (940 ksfr/an), soit 33'150 ksfr/an. De manière similaire, le shadow price des vinasses issues de la distillation est 9 Il est estimé ici que l éthanol anhydre sera vendu à 1.52 SFr/l (soit au coût de production global), quelle que soit la filière envisagée. EPFL - LSEN Page 37

C B Céréales -30'000 ksfr/an Eau de process Unité de référence 1 année Electricité Broyage ksfr. -860 Moûture de blé 29'880 ksfr/an Enzymes Thermamyl Enzymes MG Oxygène Enzymes Celluclast Gaz naturel Eau de process Eau de process Liquéfaction Saccharification G Soude Vapeur condensée Vapeur H cide sulfurique Vapeur condensée Vapeur Chaudière Vapeur Electricité Vapeur Vinasses recyclées Electricité ksfr. -1'900 Moût saccharafié 31'780 ksfr/an Dioxyde de carbone 0 ksfr/an Petit-lait 0 ksfr/an Vapeur d'eau 0 ksfr/an cide sulfurique Purge 0 ksfr/an Sulfate Phosphate Fermentation Lavage des gaz Levures S. cerevisiae Dioxyde de carbone 0 ksfr/an ntimousses Effluent liquide 0 ksfr/an Eau de process Vinasses recyclées Electricité ksfr. -740 Moût fermenté 32'520 ksfr/an Eau de process Flegmasses rejetées 0 ksfr/an Eau de process Ethanol anhydre 34'090 ksfr/an Distillation Déshydratation Vapeur Huile de fusel 0 ksfr/an D Vapeur Flegmasses rejetées 0 ksfr/an Electricité Mauvais goûts 0 ksfr/an Electricité Huile de fusel 0 ksfr/an ksfr. -2'310 Ethanol hydraté 33'150 ksfr/an Flegmasses recyclées ksfr. -940 Flegmasses recyclées Vapeur condensée Vinasses 1'680 ksfr/an Electricité Séparation ksfr. -690 Vinasses recyclées Vinasses Vinasses traitées Condensats rejetés 0 ksfr/an Drèches E Pré-concentration Eau de process Condensat Vapeur Vapeur ksfr. -1'170 Electricité Vapeur condensée Oxygène Sirop de vinasses Séchage Gaz naturel Drêches séchées 5'870 ksfr/an Eau de process Dioxyde de carbone 0 ksfr/an ksfr. -2'330 Electricité Vapeur d'eau 0 ksfr/an Figure 3.11 pproche du shadow price appliquée à la filière céréales C D E G B H EPFL - LSEN Page 38

B Unité de référence 1 année Oxygène Gaz naturel Eau de process G Vapeur condensée Vapeur H I Vapeur condensée Vapeur Vapeur condensée Vapeur Electricité Chaudière Mélasses -5'300 ksfr/an Dioxyde de carbone 0 ksfr/an Petit-lait 0 ksfr/an Vapeur d'eau 0 ksfr/an cide sulfurique Purge 0 ksfr/an Sulfate Phosphate Fermentation Lavage des gaz Levures S. cerevisiae Dioxyde de carbone 0 ksfr/an ntimousses Effluent liquide 0 ksfr/an Eau de process Vinasses recyclées Electricité ksfr. -370 Moût fermenté 7'480 SFr/an Eau de process Flegmasses rejetées 0 ksfr/an Eau de process Ethanol anhydre 9'410 ksfr/an Distillation Déshydratation Vapeur Huile de fusel 0 ksfr/an D Vapeur Flegmasses rejetées 0 ksfr/an Electricité Mauvais goûts 0 ksfr/an Electricité Huile de fusel 0 ksfr/an ksfr. -1'160 Ethanol hydraté 8'940 ksfr/an Flegmasses recyclées ksfr. -470 Flegmasses recyclées Vapeur condensée Vinasses recyclées Vinasses traitées -300 ksfr/an Condensats rejetés 0 ksfr/an E Pré-concentration ksfr. -580 Eau de process Condensats recyclés Vapeur Vapeur Electricité Vapeur condensée Sirop de vinasses 280 ksfr/an Condensats rejetés 0 ksfr/an F Concentration ksfr. -1'320 Eau de process Sirop de vinasses 1'600 ksfr/an Vapeur Condensats recyclés Electricité Vapeur condensée Figure 3.12 pproche du shadow price appliquée à la filière mélasses D E F G B H I EPFL - LSEN Page 39

C B J Pommes-de-terre -11'600 ksfr/an Eau de lavage Unité de référence 1 année Electricité Lavage et rapage ksfr. -340 Boues 0 ksfr/an Pommes-de-terre rapées 11'270 ksfr/an Enzymes Thermamyl Enzymes MG Gaz naturel Enzymes Celluclast Eau de process Eau de process Oxygène C D E Liquéfaction Saccharification F G Soude Vapeur condensée Vapeur H cide sulfurique Vapeur condensée Vapeur Chaudière I Vapeur Vapeur condensée Vapeur Vinasses recyclées Electricité Vapeur Electricité ksfr. -950 Moût saccharifié 12'220 ksfr/an Dioxyde de carbone 0 ksfr/an Petit-lait 0 ksfr/an Vapeur d'eau 0 ksfr/an cide sulfurique Purge 0 ksfr/an Sulfate Phosphate Fermentation Lavage des gaz Levures S. cerevisiae Dioxyde de carbone 0 ksfr/an ntimousses Effluent liquide 0 ksfr/an Eau de process Vinasses recyclées Electricité ksfr. -370 Moût fermenté 12'590 ksfr/an Eau de process Flegmasses rejetées 0 ksfr/an Eau de process Ethanol anhydre 14'200 ksfr/an Distillation Déshydratation Vapeur Huile de fusel 0 ksfr/an D Vapeur Flegmasses rejetées 0 ksfr/an Electricité Mauvais goûts 0 ksfr/an Electricité Huile de fusel 0 ksfr/an ksfr. -1'160 Ethanol hydraté 13'730 ksfr/an Flegmasses recyclées ksfr. -470 Flegmasses recyclées Vapeur condensée G Vinasses 20 ksfr/an Electricité Séparation ksfr. -340 Vinasses recyclées Vinasses clarifiées Vinasses traitées Condensats rejetés 0 ksfr/an Drèches B H Pré-concentration ksfr. -580 Eau de process Condensats recyclés E Gaz naturel Vapeur Vapeur Eau de process Electricité Vapeur condensée Sirop faible Condensats rejetés 0 ksfr/an J I Séchage Concentration Oxygène Drêches séchées 3'420 ksfr/an Eau de process Condensats recyclés Sirop de vinasses Dioxyde de carbone 0 ksfr/an F Vapeur Sirop de vinasses ksfr. -1'160 ksfr. -1'320 Electricité Vapeur d'eau 0 ksfr/an Electricité Vapeur condensée Figure 3.13 pproche du shadow price appliquée à la filière pommes de terre EPFL - LSEN Page 40

égal à la valeur marchande des drêches séchées de céréales (5'870 ksfr/an) moins le coût des étapes de séparation (690 ksfr/an), pré-concentration (1'170 ksfr/an) et séchage/granulation (2'330 ksfr/an), soit 1'680 ksfr/an. Ramené à une tonne de vinasses, ce shadow price est de l ordre de 7.70 SFr/t et correspond en quelques sortes à un coût d opportunité des vinasses de céréales. En d autres termes, il s agit du prix auquel un producteur d éthanol, dont l usine ne comprendrait aucune unité de traitement des vinasses, pourrait espérer vendre ses vinasses. En effet, un sous-traitant qui achèterait ces vinasses à ce prix là, pourrait, au moyen d un procédé reprenant les mêmes étapes de séparation, pré-concentration et séchage/granulation, produire l équivalent de 5'870 ksfr/an de drêches séchées de céréales et rentrer dans ses frais. Le shadow price positif de l éthanol hydraté (33'150 ksfr/an ou 1.36 SFr/l) et des vinasses de céréales (1'680 ksfr/an ou 7.70 SFr/t) signifie par ailleurs aussi que l ensemble des étapes de broyage, liquéfaction/saccharification, fermentation et distillation, donne lieu à deux produits intermédiaires (les vinasses et l alcool) dont la valeur marchande est potentiellement positive. Par conséquent, selon le principe même de l allocation économique, une partie des charges environnementales associées à ces quatre étapes doit être attribuée à l éthanol hydraté, l autre partie aux vinasses. La fraction des charges attribuées à l éthanol résulte du calcul présenté cidessus et vaut ici : 33'150/(33'150+1'680), soit 95%. Respectivement, la fraction attribuée aux vinasses est égale à 5'870/(33'150+1'680), soit 5%. Dans le cas où le shadow price des vinasses serait négatif (cas de la filière mélasses), le calcul ainsi que l interprétation sont différents. Dans un tel cas, en effet, les étapes amont jusqu à la distillation donnant lieu à deux produits intermédiaires dont l un a une valeur économique positive (l éthanol) et l autre une valeur négative (les vinasses), il s agit alors de pénaliser l éthanol pour avoir en quelques sortes généré un déchet. On attribue dans ce cas à l éthanol, la part des charges environnementales associées aux étapes aval de traitement des vinasses qui ramène ces vinasses à une valeur nulle. Dans le cas des vinasses de mélasses (-300 ksfr/an) valorisées en sirop de vinasses de mélasses (1'600 ksfr/an), cette part des charges associées aux étapes de traitement des vinasses (pré-concentration et concentration), allouée à l éthanol vaut : -300/(-300-1'600), soit environ 16%. Ce shadow price négatif des vinasses de mélasses signifie par ailleurs que la vente du sirop de vinasses de mélasses (au prix envisagé dans l étude et dans les conditions spécifiques de production considérées) ne permet pas de rentabiliser les frais occasionnés par les étapes de pré-concentration et de concentration. Les résultats du calcul des facteurs d allocation sont présentés dans le Tableau 3.17. Tableau 3.17 Détail des facteurs d allocation attribués à l éthanol par étape et par filière Etapes de traitement C M PdT Etapes amont jusqu à la distillation 095.2% 100.0% 099.9% Déshydratation 100.0% 100.0% 100.0% Etapes aval (traitement des vinasses) 000.0% 015.8% 000.0% Le calcul du coût de production joue un rôle essentiel dans le cadre d une analyse de cycle de vie avec allocation selon la valeur économique des co-produits. En particulier, le prix des coproduits revêt une importance cruciale. Il est donc essentiel, dans un tel contexte, de posséder une bonne connaissance du marché potentiel pour les différents produits à vendre. Par ailleurs, l approche selon le shadow price permet d évaluer la performance économique d un procédé, en évaluant la rentabilité d une étape ou d un ensemble d étapes en particulier. EPFL - LSEN Page 41

4. CYCLE DE VIE DES CRBURNTS Ce chapitre présente l ensemble du cycle de vie des deux carburants retenus dans le cadre de cette étude (essence sans plomb 95 conventionnelle et essence 5 ). Dans une première section, la phase de production des carburants (jusqu à la station service) est envisagée. La deuxième section s intéresse ensuite à la phase dite d utilisation des carburants, à savoir leur combustion dans le moteur d un véhicule de référence, et propose un bref récapitulatif des tests menés par l EMP dans le cadre de l étude lcosuisse 2002 et des résultats obtenus. 4.1 Phase de production des carburants La phase dite de production et de mise à disposition des carburants envisagés dans cette étude comprend l ensemble des diverses étapes de la chaîne de production (Figure 2.2) jusqu à la distribution dans les stations services. Ce chapitre, essentiellement descriptif, vise à établir pour chacune des filières envisagées, un inventaire des ressources consommées et des émissions polluantes occasionnées tout au long de la chaîne de production jusqu à la station service. Cet inventaire permettra ainsi par la suite l évaluation des émissions globales puis des impacts. Dans chaque cas, l inventaire des flux de masse et d énergie sera présenté pour la production d un litre de carburant. Par la suite (chapitre 5), la comparaison des deux filières sera réalisée avec pour référence commune 100 km parcourus (voir section 2.2). a. La filière essence Dans le cas de l essence conventionnelle, cette phase de production comprend en particulier l exploration du sous-sol, l extraction du pétrole brut, le raffinage (en Suisse ou à l étranger) ainsi que toutes les étapes de transport liées à l acheminement du brut ou du carburant raffiné jusqu en Suisse, et enfin la distribution auprès des stations service. L approvisionnement de la Suisse en produits pétroliers est représenté sur la Figure 4.1. La distribution actuelle d essence en Suisse peut être résumée de la manière suivante (Planair S, 2003) : Importation de pétrole brut, production dans les raffineries de Cressier et Collombey et stockage dans les entrepôts défiscalisés en raffinerie. Importation d essence raffinée par bateau, train, camion ou pipeline, vers différents entrepôts défiscalisés d importation, soit dans la région genevoise (ensemble 40%), dans la région bâloise (46%), dans le nord-est (8%) et le Tessin (6%) ; on précise que toute l essence importée passe obligatoirement à un moment donné par les entrepôts défiscalisés d importation. Transport depuis les divers entrepôts défiscalisés d importation ou de raffinerie vers d autres entrepôts défiscalisés ou directement dans les stations-service locales (la fiscalisation du carburant n a lieu que lorsque le produit passe la frontière de la zone défiscalisée, matérialisée par le compteur par lequel passe le carburant vers le bras de chargement des camions). Stockage dans quelques 40 entrepôts défiscalisés. Distribution de l essence depuis les entrepôts défiscalisés vers les stations services ou vers de petits entrepôts fiscalisés. EPFL - LSEN Page 42

u total, les carburants peuvent subir 6-10 transvasements avant de parvenir à l utilisateur. En général, l organisation des entrepôts, notamment ceux participant au stockage obligatoire, est complexe et intégrée et en fréquente restructuration. la réception du carburant, il est à priori impossible de dire combien de temps celui-ci restera stocké (Planair S, 2003). Figure 4.1 pprovisionnement de la Suisse en produits pétroliers (adapté de Tamoil) Dans le cadre de l étude, l approvisionnement en essence est effectué à partir de la raffinerie de Cressier (Petroplus). La chaîne de production située en amont de la raffinerie (y compris le raffinage) n est pas décrite ici. La base de donnée EcoInvent 2000 propose en effet un intrant (un enregistrement) petrol, unleaded, at refinery, CH reprenant toute la chaîne de production de l essence jusqu à la raffinerie, dans les conditions spécifiques à la Suisse. C est cet intrant qui est ici utilisé. La filière essence en aval de la raffinerie (depuis la raffinerie jusqu à la station service) est décrite de la manière suivante : Transport depuis la raffinerie de Cressier jusqu à l un des 4 entrepôts envisagés dans cette étude (il est en effet prévu de mélanger l éthanol à l essence dans 4 entrepôts, et par souci de cohérence, les mêmes entrepôts sont envisagés pour la filière essence). Les entrepôts en question se situent à Cressier même (0 km), à Niederhasli (140 km), Rothenburg (120 km) et Birsfelden (110 km). L essence est acheminée par train, à parts égales, vers chacun de ces centres de stockage. La distance moyenne parcourue est de 92.5 km. Par manque d information, les étapes de chargement/déchargement EPFL - LSEN Page 43

ne sont pas prises en compte dans cette étude. L effet est cependant jugé négligeable au niveau de la comparaison des filières car l erreur vaut pour les deux filières. Stockage dans les entrepôts de Cressier, Niederhasli, Rothenburg et Birsfelden. Les durées de stockage ne sont pas précisées, et n interviennent pas en termes d CV (seuls comptent les volumes de stockage, et l analyse étant faite ici pour 1 litre, le volume stocké est pris égal à un litre). Transport depuis les entrepôts jusqu aux stations service locales. Le transport est ici envisagé par camion (28t), sur une distance moyenne de 30 km. Là encore, les étapes de chargement/déchargement ne sont pas prises en compte dans l analyse. Vente du carburant. b. La filière essence 5 La filière essence5 est sensiblement identique, du point de vue de la distribution, à la filière essence. Il est envisagé, dans le cadre de l étude, que l éthanol est mélangé à l essence dans les entrepôts de Cressier, Niederhasli, Rothenburg et Birsfelden. vant son acheminement vers les entrepôts, l éthanol doit cependant être dénaturé. Une mise en œuvre généralisée de l essence 5 en Suisse impliquerait en effet des transports de grandes quantités d éthanol d un petit nombre de sources (lieux de production et points d entrée en Suisse d éthanol importé) vers un grand nombre de destinations (raffineries et entrepôts de carburants). fin de garder ces mouvements sous contrôle, la Régie Fédérale des lcools (RF) prévoit une dénaturation à la source de l éthanol-carburant, qu il soit produit en Suisse ou importé. La dénaturation est effectuée par adjonction de 1% (vol.) d essence dans l éthanol anhydre (Planair S, 2003). Le transport du bioéthanol dénaturé jusqu aux entrepôts de carburants est envisagé par train. Les distances séparant l usine de Delémont des entrepôts sont d environ 70 km pour Cressier, 120 km pour Niederhasli, 100 km pour Rothenburg et 40 km pour Birsfelden. La distance moyenne parcourue est de 82.5 km. En résumé, on transporte donc 0.05 litres d éthanol par train sur 82.5 km et 0.95 litres d essence par train sur 92.5 km. Les étapes suivantes (stockage, transport jusqu à la station service et enfin stockage à la station service) sont identiques, aux densités près (Tableau 4.1), à la filière essence conventionnelle. 4.2 Phase d utilisation des carburants Dans le cadre de la présente étude, l'utilisation de l éthanol-carburant se limite à l'essence 5. Les caractéristiques des deux carburants envisagés sont reprises dans le Tableau 4.1. Tableau 4.1 Caractéristiques des carburants envisagés Carburants Description du carburant PCI (MJ/l) Densité (kg/l) essence essence sans plomb 95 conventionnelle 32.025 0.7427 essence 5 95% (vol.) essence / 5% (vol.) Etha+ 31.489 0.7542 Les données relatives à la phase d utilisation des carburants étudiés reposent sur des mesures d'émissions réalisées par l EMP, sur un véhicule de référence (Tableau 4.2), dans le cadre du projet lcosuisse, au cours de l année 2002 (EMP, 2002). EPFL - LSEN Page 44

Tableau 4.2 Caractérisation du véhicule de référence Véhicule FORD Focus Norme Euro III Cylindrée 1'596 cm 3 Poids 1'060 kg Carburants essence / essence 5 Cycles de conduite 10 ECE / EUDC / NEFZ Le cycle de conduite retenu pour l'analyse de cycle de vie est indiqué en caractère gras. Il s agit du cycle NEFZ (Neue Europäische Fahr-Zyklus) qui constitue actuellement la référence en termes de cycles de conduites, du fait qu il est le plus représentatif du mode de conduite moyen des véhicules envisagés. Le Tableau 4.3 propose un bref résumé des mesures les plus significatives pour cette étude, réalisées par l EMP sur la FORD Focus avec l essence et l essence 5. Tableau 4.3 Résultats des mesures réalisées sur la FORD Focus avec l essence et l essence 5 Grandeur mesurée Carburant essence Carburant essence 5 Emissions (g/km) CO 2 164.630 162.380 CO 000.273 000.251 CH 4 000.050 000.049 NO x 000.056 000.064 SO x - - Consommation spécifique (l/100 km) 007.033 006.966 Les consommations spécifiques mesurées avec l essence et l essence 5 permettront au moment de la présentation des résultats de l CV, d exprimer les impacts par rapport à une distance parcourue (ici 100 km), plutôt que par litre de carburant consommé. Selon les résultats de l EMP, en effet, un litre d essence5 permet de couvrir une distance plus grande qu un litre d essence sans plomb conventionnelle. insi, si l on exprimait les résultats de l CV par litre de carburant consommé plutôt qu en référence à distance parcourue, on occulterait un élément essentiel du problème : la prestation (et la fonction même) du système carburant-véhicule. 10 ECE, Economic Commission for Europe EUDC, Extra-Urban Driving Cycle NEFZ, Neue Europäische Fahr-Zyklus EPFL - LSEN Page 45

5. RESULTTS DE L'NLYSE DE CYCLE DE VIE Les deux filières de carburants envisagées dans le cadre de cette étude (essence et essence 5 ) ont été comparées selon une approche d analyse de cycle de vie (CV). La fonction primaire des systèmes étudiés consistant à assurer le déplacement d'un véhicule, l'unité fonctionnelle de référence retenue est 100 km. La production d éthanol-carburant est ici envisagée au sein d une usine dite multi-matières décrite dans le chapitre 3, à partir de trois matières premières différentes (céréales, mélasses, pommes de terre). Les résultats de l'analyse de cycle de vie relative à la phase de production seule du bioéthanol (selon les trois filières envisagées) sont comparés au paragraphe 5.2. Les résultats de l'analyse de vie complète (production et utilisation) des deux filières de carburants envisagées sont présentés au paragraphe 5.3. Les critères d'impacts environnementaux retenus, en accord avec lcosuisse, comprennent la consommation d'énergie primaire non renouvelable, l effet de serre, ainsi que les phénomènes d acidification et d eutrophisation (paragraphe 2.3). Le premier paragraphe de ce chapitre s attache à préciser de la manière la plus transparente possible les diverses hypothèses prises en compte dans la réalisation de cette analyse de cycle de vie. 5.1 Hypothèses concernant l'analyse de cycle de vie Par souci de clarté, certaines des hypothèses introduites plus tôt dans ce chapitre sont reprises dans le paragraphe qui suit, mais de manière plus succincte. a. Modélisation du procédé en termes d CV Ce paragraphe vise à préciser de manière détaillée, la façon dont les différents intrants ont été modélisés à travers l analyse de cycle de vie réalisée ici. Les hypothèses sont précisées selon la chronologie de la chaîne de production, depuis la phase agricole et la mise à disposition de la matière première, jusqu à la distribution du carburant. Pour chacune des trois filières, le type de production agricole retenu est, selon les termes de la base de données EcoInvent, une production intégrée. Il n existe cependant pas de règle fixe, quant aux différents impacts occasionnés, par rapport à des pratiques de type organique ou extensive. insi, la pomme de terre organique induit un impact plus élevé (en termes de consommation d énergie primaire non renouvelable et d effet de serre) que la pomme de terre en production intégrée, tandis que la situation est inversée dans le cas des céréales. Compte tenu du choix somme toute limité d intrants à disposition dans la base de données EcoInvent, les céréales sont ici modélisées au moyen de l intrant wheat grains IP, at farm, à savoir du blé. noter que dans EcoInvent, l allocation entre grains et paille est effectuée selon une approche économique, en accord avec l approche adoptée pour cette étude. Par manque d information, les différentes étapes de chargement/déchargement tout au long de la filière de production des carburants essence et essence 5 n ont pas été considérées. L effet induit sur le résultat global est cependant jugé négligeable. L usine d éthanol est modélisée à partir de l intrant methanol plant. Un facteur 2 a toutefois été introduit afin de tenir compte de la plus grande complexité du procédé de bioéthanol, par rapport à la production de méthanol fossile. La répartition entre les diverses étapes du procédé a été effectuée selon les coûts d investissement respectifs. noter que, de manière générale, EPFL - LSEN Page 46

la contribution de l usine (machines et bâtiments) à consommation globale d énergie primaire non renouvelable relative à la production d éthanol n excède pas 1%. Les unités de stockage des matières premières et des co-produits ont été distingués de l usine elle-même et pris en compte de manière spécifique. L approvisionnement en eau de l usine d éthanol est modélisé à l aide de l intrant tap water, at user. Il s agit là d une hypothèse conservative, traduisant la situation la moins avantageuse du point de vue de l CV. La contribution de l approvisionnement en eau reste cependant très marginale dans chacune des filières. Les bâches de rétention d eau sont modélisées au moyen de l intrant water storage. Le traitement des effluents liquides est modélisé au moyen de l intrant treatment, sewage, to wastewater treatment, class 2, décrivant le traitement d eaux de rejet au sein d une station d épuration de classe 2 (71'100 équivalents-habitants en termes de charge polluante). L intrant en question intègre l ensemble des traitements anaérobies et aérobies, ainsi que l élimination des boues et le rejet des effluents traités. La production de chaleur au sein de l usine est modélisée au moyen de l intrant heat, natural gas, at boiler condensing modulating > 100 kw tenant compte à la fois de la construction de la chaudière, de l approvisionnement en gaz naturel et des émissions liées à la combustion de ce dernier. Dans chaque cas, la dose d intrant a été diminuée selon la fraction de gaz naturel économisé grâce au biogaz issu de la station d épuration. Les émissions liées à la combustion du biogaz sont prises en compte au niveau du traitement des effluents. En ce qui concerne la consommation de vapeur des unités de pré-concentration et distillation, l hypothèse a été faite d attribuer à la distillation toute la vapeur issue de la pré-concentration sous forme de vapeur usine et de n attribuer à la pré-concentration que la différence entre la vapeur réellement consommée et la vapeur de distillation (voir chapitre 3). L étape de séchage, quant à elle, est modélisée à l aide de l intrant natural gas, burned in industrial furnace low-nox >100 kw, tenant compte comme dans le cas de la vapeur usine, de l approvisionnement en combustible, de la construction du four, et des émissions de combustion. L intrant electricity, medium voltage, at grid a été choisi afin de décrire la consommation d électricité tout au long de la chaîne de production. Sont prises en compte, dans cet intrant, la transformation du courant haute tension en moyenne tension, la transmission du courant moyenne tension, les pertes de transport ainsi que les émissions directes d hexafluorure de soufre 11, SF 6. L intrant choisi pour la production électrique décrit le mix d approvisionnement de la Suisse en électricité, et affiche un rendement global de près de 50% (soit environ 2 MJ p consommés par MJ e produit). Pour information, il s agit également de l intrant utilisé dans la caractérisation de nombreux autres procédés décrits dans la base de données EcoInvent pour le cas de la Suisse. L acheminement des diverses ressources consommées au cours du procédé (acide sulfurique, soude, nutriments, etc.), un transport par camion (28t) sur une distance de 100 km a été pris en compte, la distribution n étant pas considérée dans les intrants initiaux d EcoInvent. Les émissions directes liées à la fermentation des sucres en éthanol est prise en compte sous forme de CO 2 biogénique, selon les spécifications d Interis et les résultats du modèle de flux. 11 Le gaz SF 6 constitue un milieu diélectrique presque parfait, largement utilisé dans les équipements électrotechniques pour ses propriétés chimiques et physiques. Il s agit cependant d un gaz à effet de serre au potentiel très élevé (1 kg SF 6 équivaut à 32'400 kg CO 2 eq. ). Jusqu'à présent, les études expérimentales n'ont pas révélé d'alternative intéressante. EPFL - LSEN Page 47

Concernant la formulation de l essence 5, aucune dépense d énergie particulière n a été prise en compte pour le mélange de l éthanol et de l essence. Le stockage des carburants dans les entrepôts et à la station service a été modélisé au moyen de l intrant regional distribution, oil products, qui tient compte de l infrastructure nécessaire pour les réservoirs et pour la station service. En accord avec les valeurs précisées par Interis, le pouvoir calorifique du gaz naturel a été pris égal à 40.6 MJ/m 3, pour une densité de 0.676 kg/m 3 (soit 1.480 m 3 /kg). La chaleur massique de la vapeur est de 2.550 MJ/kg. Les densités respectives de l éthanol et de l essence sont de 0.795 et 0.743 kg/l. Si les densités de l éthanol et de l essence sont relativement proches, le pouvoir calorifique de l éthanol (21.3 MJ/l) est en revanche sensiblement plus faible que celui de l essence (32.0 MJ/l). b. Méthode d allocation La méthode d allocation appliquée pour l analyse de cycle de vie est une allocation selon la valeur économique des co-produits. Cette méthode est apparue comme la mieux adaptée à notre cas, et s avère applicable quelles que soient les circonstances. Elle part du principe que les produits sont fabriqués pour leur valeur marchande et c est le caractère incitatif du revenu financier qui est pris en compte pour la répartition des charges environnementales. c. Limites de l'analyse de cycle de vie L approche envisagée dans la présente étude, concernant la caractérisation environnementale du procédé de production de bioéthanol retenu par lcosuisse se limite au point de vue du producteur d éthanol. On ne tient effectivement pas compte de l effet induit par l utilisation, pour la production d éthanol, des matières premières identifiées et habituellement utilisées à d autres fins. Dans l optique choisie, l éthanol constitue pour le producteur de la matière première un débouché comme un autre et ce producteur est seul responsable du marché auquel il destine son produit. Dans une optique plus globale de politique publique, la question de l allocation d une matière première rare entre différents usages est très pertinente ; mais il conviendrait alors de conduire une telle analyse à une échelle beaucoup plus large, celle du développement de la filière éthanol en Suisse. l échelle de la seule usine projetée, ce dernier aspect n est pas pris en compte dans cette étude. Concernant encore une fois les matières premières, l hypothèse a été faite d accorder le même poids aux matières premières destinées à l alimentation humaine et aux matières premières déclassées, utilisées pour la production d éthanol. insi, on attribue par exemple les mêmes charges environnementales aux pommes de terres destinées à l industrie alimentaire et aux pommes de terre de moins bonne qualité, déclassées et dirigées vers la production d éthanol ou dans l affourragement. Or, le prix payé pour une tonne de pomme de terre étant différent dans un cas et dans l autre, selon l approche d allocation adoptée dans cette étude, il aurait pu être envisagé d attribuer des charges environnementales en relation avec les prix respectifs sur le marché. Une telle approche contribuerait sans doute à réduire de façon significative l impact lié à la phase agricole dans le cas des filières céréales et pommes de terre. Comme nous le verrons dans le paragraphe suivant, cette seule étape représente pour ces deux filières, près de la moitié de l impact global. Le paragraphe suivant envisage non seulement la production intégrée d éthanol à partir des trois matières premières de manière globale au sein de l usine multi-matières, mais également EPFL - LSEN Page 48

la production d éthanol à partir de chaque matières premières, de façon distincte, en isolant les étapes spécifiques à chaque filière. Toutefois, comme pour le calcul des coûts de production spécifiques par filières, il est important de ne pas se méprendre sur le système qui est décrit. Là encore, l évaluation des impacts par filière de production s applique bel et bien aux trois filières envisagées, dans le contexte précis décrit tout au long du chapitre 3, compte tenu de la disponibilité et du prix des différentes matières premières, du choix de l usine multi-matières, des périodes de production envisagées, du taux de charge de l usine, des conditions cadres relatives à la valorisation des co-produits, etc. insi, par exemple, l analyse de cycle de vie d une usine d éthanol basée exclusivement sur des céréales n aboutirait très probablement pas au résultat obtenu ici pour la filière céréales. Les résultats établis par filière sont donc tout à fait spécifiques aux conditions précises de l étude. Il est important, donc, de noter que les résultats présentés dans ce chapitre, et de manière plus générale dans cette étude, ne sont valables que dans les conditions envisagées ici et ne peuvent pas être généralisés à des systèmes de production d éthanol différents. En particulier, les résultats de l'analyse comparative présentés dans ce chapitre ne sont valables que pour le taux d'incorporation d'éthanol envisagés, soit 5% dans l'essence sans plomb. d. Effet de serre Les intrants d origine agricole (plus généralement d origine végétale) bénéficiant d un crédit de CO 2 lié au processus de photosynthèse, la prise en compte de crédit dans le calcul d impact impose également la prise en compte de la totalité des émissions de CO 2 d origine biogénique intervenant tout au long de la chaîne de production et d utilisation. C est le cas typiquement des émissions de CO 2 occasionnées lors de la fermentation des sucres par les levures, mais aussi des émissions de CO 2 liées à la combustion de la fraction d éthanol dans l essence 5 lors de la phase d utilisation. Finalement, toutes les émissions de CO 2 (d origine biogénique et d origine fossile) sont comptabilisées au même titre et le crédit accordé est exclusivement lié à la matière première. La Figure 5.1 illustre le cycle du CO 2 au cours de la vie d un carburant issu de la biomasse. Figure 5.1 Cycle du CO 2 au cours de la vie d un carburant issu de la biomasse De manière globale, les émissions de CO 2 liées à la fermentation, tout comme les émissions de CO 2 liées à la combustion de la part d éthanol dans les biocarburants, sont compensées par la fixation de CO 2 par les plantes (photosynthèse) lors de la phase agricole (Figure 5.1). EPFL - LSEN Page 49

noter cependant, que le bilan global n'est pas complètement neutre, dans la mesure où la production et la mise à disposition de l'énergie et des ressources consommées tout au long du procédé de transformation de la biomasse génèrent des émissions de CO 2 d'origine fossile. 5.2 Résultats de l'analyse de cycle de vie de la production d Etha+ Le procédé de production d Etha+ envisagé dans le cadre de cette étude est décrit de manière détaillée dans le chapitre 3. Les résultats de l analyse de cycle de vie appliquée à la production d éthanol sont ici présentés pour l ensemble de l usine multi-matières, mais également pour chacune des filières de production. L unité de référence utilisée dans ce paragraphe est 1 litre d éthanol dénaturé à l usine. Pour chaque critère environnemental, sont précisées les contributions respectives de la matière première, de la fourniture de chaleur et d électricité, et enfin de tout le reste (infrastructure, produits chimiques, dénaturant, enzymes et levures, eau, etc.). a. Consommation d'énergie primaire non renouvelable Le Tableau 5.1, ci-dessous, offre une comparaison des consommations d'énergie primaire non renouvelable relatives à la production d'un litre de bioéthanol pour les filières céréales (C), mélasses (M), pommes de terre (PdT), et pour l usine de façon globale. Tableau 5.1 Comparaison de la consommation d'énergie primaire non renouvelable (MJ p /l) Composantes C M PdT Global Matière première 09.004 04.531 10.078 08.539 Chaleur 07.248 07.573 09.456 07.845 Electricité 01.161 00.523 01.134 01.050 utres 02.907 01.558 03.777 02.901 Total 20.320 14.185 24.445 20.335 30 25 20 15 10 5 0 C M PdT Global En termes de consommation d énergie primaire non renouvelable, dans le contexte spécifique de l étude, la production d éthanol à partir de mélasses ressort comme la plus performante, tandis que le système global se retrouve très proche de la filière céréales. La filière mélasses bénéficie d une matière première sensiblement moins coûteuse (en termes d énergie), et jouit par ailleurs d un procédé un peu moins complexe, sans étape de liquéfaction/saccharification. La filière pommes de terre, en revanche, souffre d une matière première à la fois plus coûteuse et de composition moins favorable. L amidon étant effectivement très dissous dans la pomme de terre, la teneur en éthanol à l issue de la fermentation est limitée à 7.5% (vol.), ayant pour effet d augmenter la consommation de vapeur lors de l étape de distillation. Globalement, il est permis de constater que la matière première et la fourniture de chaleur représentent, à elles deux, 80-85% la consommation totale d énergie primaire. En calculant le rapport du pouvoir calorifique de l éthanol (soit 21.3 MJ/l) à la consommation d énergie obtenue (paragraphe 2.3), on obtient le facteur d amplification énergétique ou FE. Ce facteur traduit la capacité d une filière à économiser et substituer l énergie primaire non renouvelable 12. Le FE de la filière globale est de 1.05, tandis que les filières céréales, mélasses et pommes de terre affichent respectivement un FE de 1.05, 1.50 et 0.87. 12 Un FE supérieur à 1 indique un bilan énergétique positif, dans le sens où la consommation d énergie lors de la production du carburant est inférieure à l énergie contenue dans celui-ci. EPFL - LSEN Page 50

b. Effet de serre Le Tableau 5.2 offre une comparaison des émissions de gaz à effet de serre (CO 2 eq. ) relatives à la production d'un litre de bioéthanol pour les filières céréales (C), mélasses (M), pommes de terre (PdT), et pour l usine dans sa globalité. Tableau 5.2 Comparaison des émissions de gaz à effet de serre (kg CO 2 eq. /l) Composantes C M PdT Global Matière première -2.658-1.264-2.968-2.506 Chaleur 0.377 0.394 0.492 0.408 Electricité 0.019 0.009 0.018 0.017 utres 1.008 0.864 1.102 1.007 Total -1.254 0.003-1.356-1.074 2 1 0-1 -2-3 -4 C M PdT Global On constate qu une nouvelle fois, la filière mélasses se distingue du lot avec un bilan global (en termes d émissions de CO 2 eq. ) quasiment nul, tandis que les deux autres filières affichent une économie de CO 2 de l ordre de -1.3 kg CO 2 eq. /l. Cette différence d un facteur 2 environ est essentiellement due à la matière première, et trouve son explication dans l analyse de cycle de vie de la production de sucre et plus particulièrement au niveau de l allocation économique entre le sucre et les mélasses. Le sucre, en effet, est actuellement vendu à 1'000 SFr/t, tandis que les mélasses sont vendues à 250 SFr/t (soit 500 SFr par tonne de sucre). On retrouve donc le facteur 2 à l origine de la différence soulignée plus haut. Ce même phénomène explique aussi la contribution sensiblement plus faible (d un facteur 2 encore une fois) des mélasses (par rapport aux céréales et aux pommes de terre) dans le calcul de la consommation d énergie primaire non renouvelable (Tableau 5.1). On peut également remarquer, dans le Tableau 5.2, la performance du système d approvisionnement électrique de la Suisse, en termes d émissions de gaz à effet de serre. Le bilan de la filière globale est d environ -1 kg CO 2 eq. par litre d éthanol. En d autres termes, pour chaque litre d éthanol produit au sein de l usine multi-matières, 1 kg de CO 2 est absorbé dans l atmosphère. c. Eutrophisation et acidification Le Tableau 5.3 offre une comparaison de l impact lié au phénomène d eutrophisation, relatif à la production d'un litre de bioéthanol pour les filières céréales (C), mélasses (M), pommes de terre (PdT), et pour l usine de façon globale. L impact est exprimé en grammes d ions PO 4 3- eq. par litre d éthanol. Tableau 5.3 Comparaison de l impact lié au phénomène d eutrophisation (g PO 4 3- eq. /l) Composantes C M PdT Global Matière première 1.416 0.252 0.780 1.070 Chaleur 0.002 0.002 0.002 0.002 Electricité 0.001 0.000 0.001 0.001 utres 0.036 0.046 0.063 0.044 Total 1.455 0.300 0.846 1.117 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 C M PdT Global EPFL - LSEN Page 51

Le Tableau 5.4 offre une comparaison de l impact lié au phénomène d acidification, relatif à la production d'un litre de bioéthanol pour les filières céréales (C), mélasses (M), pommes de terre (PdT), et pour l usine de façon globale. L impact est exprimé en grammes de dioxyde de soufre (SO 2 ) équivalents par litre d éthanol. Tableau 5.4 Comparaison de l impact lié au phénomène d acidification (g SO 2 eq. /l) Composantes C M PdT Global Matière première 10.963 03.639 15.086 10.783 Chaleur 00.303 00.316 00.395 00.328 Electricité 00.055 00.025 00.054 00.050 utres 01.458 00.843 01.846 01.453 Total 12.779 04.823 17.381 12.614 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 C M PdT Global Les phénomènes d acidification et d eutrophisation relatifs à la production de bioéthanol sont essentiellement associés à la production des matières premières (notamment l application d engrais azotés ou phosphorés, et l utilisation du tracteur pour le travail du champ), comme l indiquent les graphes du Tableau 5.3 et du Tableau 5.4. Les variations entre les différentes filières sont dues principalement à des différences de pratiques culturales selon les matières premières. On constate ici que la fourniture d énergie joue un rôle tout à fait marginal. 5.3 Résultats de l'analyse de cycle de vie des filières essence et essence 5 L'objectif de cette étude est la caractérisation, d'un point de vue environnemental, de filières d'utilisation de carburants, à savoir d'une part la filière essence conventionnelle et d'autre part la filière essence 5. Cette section présente les résultats obtenus pour chaque système envisagé et pour chaque critère d'impact environnemental. La fonction primaire des systèmes étudiés consistant à assurer le déplacement d'un véhicule, l'unité fonctionnelle de référence retenue est 100 km. a. Consommation d'énergie primaire non renouvelable La consommation d'énergie primaire non renouvelable est donnée en MJ p consommés pour 100 km parcourus. Les résultats sont présentés sur la Figure 5.2. Pour l essence 5, quatre cas sont envisagés, selon la nature du bioéthanol mélangé à l essence sans plomb (filière globale, céréales, mélasses, pommes de terre). Le graphe de droite sur la figure précise les étapes prises en compte dans les résultats présentés (la hauteur de l histogramme est ici arbitraire). 350 350 350 300 300 300 250 250 250 200 200 200 150 100 299.4 150 288.8 288.8 286.7 290.3 100 150 100 Production et utilisation 50 50 50 0 essence 0 essence5 C M PdT 0 Légende Figure 5.2 Consommation d'énergie primaire non renouvelable (MJ p /100 km) EPFL - LSEN Page 52

Compte tenu du faible taux d incorporation d éthanol dans l essence, les graphes présentés sur la Figure 5.2 sont malheureusement peu parlant. On constate cependant que de façon globale, l adjonction de bioéthanol dans l essence s accompagne d une réduction de la consommation d énergie primaire non renouvelable de l ordre de 3.5%. Ce résultat s explique à la fois par la nature renouvelable du bioéthanol, la substitution directe d un volume de carburant d origine fossile, et par l amélioration des performances du véhicule en termes de consommation spécifique (voir paragraphe 4.2). La consommation d'énergie primaire non renouvelable est ici également exprimée au moyen du FE. Ce facteur, bien que limitatif dans la mesure où il tient compte exclusivement de la phase de production des carburants (la diminution de la consommation spécifique du véhicule n est pas prise en compte), est en effet souvent utilisé dans la littérature et traduit la capacité d une filière à économiser et substituer l énergie primaire non renouvelable. Les résultats sont présentés sur la Figure 5.3. 1.2 1.2 1.2 1.0 1.0 1.0 0.8 0.8 0.8 0.6 0.6 0.6 1.047 0.4 0.752 0.4 0.759 0.759 0.765 0.756 0.4 0.2 0.2 0.2 0.0 essence 0.0 essence5 C M PdT 0.0 Etha+ Figure 5.3 Facteur d'amplification énergétique (FE) Bien qu une nouvelle fois, le diagramme ne soit pas très parlant compte tenu du faible taux d incorporation de l éthanol, on constate cependant que le FE est supérieur pour l essence 5. Le FE de l Etha+ est de l ordre 1.05, ce qui signifie que pour une unité d énergie primaire non renouvelable consommée, on produit 1.05 unité d énergie finale sous forme d éthanol. Ce résultat, certes favorable à l éthanol par rapport à l essence, s avère globalement inférieur aux résultats présentés dans d autres études similaires 13 et traduit peut-être un certain manque de performance de la filière de production d éthanol envisagée dans cette étude. ce titre, les résultats présentés dans le paragraphe précédent indiquent donc que si le procédé peut être amélioré, c est certainement dans le sens d une meilleure optimisation énergétique des étapes grosses consommatrices de chaleur telles que la distillation, la pré-concentration ou encore la concentration. Il semble en effet difficile, l agriculture suisse étant ce qu elle est, d envisager une réduction significative de la contribution des matières premières au bilan énergétique, à moins d envisager un autre choix de substrats. b. Effet de serre L impact relatif à l effet de serre est exprimé en kg CO 2 eq. pour 100 km parcourus. Les gaz à effet de serre les plus significatifs sont le dioxyde de carbone (CO 2 ), le méthane (CH 4 ), le protoxyde d azote (N 2 O) et le monoxyde de carbone (CO). Les résultats sont présentés sur la Figure 5.4. 13 Le FE du bioéthanol est en effet plus généralement de l ordre de 1.5-2.5, selon la matière première et la technologie envisagée (USD, 2002 ; Grassi, 2000 ; UK DfT, 2003 ; ICCEPT, 2003). EPFL - LSEN Page 53

25 25 25 20 20 20 15 15 15 10 16.5 10 16.3 16.3 16.3 16.3 10 Utilisation 5 5 5 0 3.6 essence 0 3.0 2.9 3.4 2.9 essence5 C M PdT 0 Production Légende Figure 5.4 Impact relatif à l effet de serre (kg CO 2 eq. /100 km) Sur le graphe de la Figure 5.4 présentée ci-dessus, la part des émissions de gaz à effet de serre liée à la phase d utilisation est indiquée par une teinte plus claire, dans la partie supérieure de chaque histogramme (comme le précise la légende). De façon générale, on constate une diminution des émissions de gaz à effets de serre à la fois au niveau de la phase de production et au niveau de la phase d utilisation du carburant. insi, l incorporation de bioéthanol (à raison de 5% vol.) dans l essence se traduit par une réduction des émissions de CO 2 eq. de l ordre de 4.0% sur l ensemble du cycle de vie des carburants. c. Eutrophisation L impact relatif au phénomène d eutrophisation est exprimé en g de PO 4 3- eq. pour 100 km parcourus. Les polluants pris en compte sont les ions phosphate (PO 4 3- ) et l azote (N) sous forme d ions ammonium (NH 4 + ), et d oxydes d azote (NO x ) dissous. Les résultats sont donnés sur la Figure 5.5. 0.8 0.8 0.8 0.7 0.7 0.7 0.6 0.6 0.6 0.5 0.5 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.2 0.4 0.3 0.2 0.1 0.6 0.7 0.3 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 Production 0.0 essence 0.0 essence5 C M PdT 0.0 Légende Figure 5.5 Impact relatif au phénomène d'eutrophisation (g PO 4 3- eq. /100 km) Le phénomène d eutrophisation est exclusivement lié à la phase de production des carburants. Dans le cas envisagé ici, d'une production d éthanol à partir de matières agricoles ou dérivées de l agriculture, l impact est considérablement plus élevé dans le cas de l essence 5 que dans le cas de l essence. u contraire des deux critères d impact précédents, l effet de l adjonction d éthanol est particulièrement sensible malgré le faible taux d incorporation. Selon les filières, l impact relatif à la production d un litre d éthanol (0.300-1.458 g PO 4 3- eq. /l) est effectivement 12-60 fois supérieur à l impact associé à la production d un litre d essence (0.025 g PO 4 3- eq. /l). Ce phénomène est dû essentiellement à la phase agricole de la chaîne de production d éthanol. EPFL - LSEN Page 54

Globalement, l incorporation d éthanol dans l essence s accompagne ici d une augmentation de l impact relatif au phénomène d eutrophisation de l ordre de 220% (soit une augmentation d un facteur 3.2). Il convient cependant de noter que dans le cas d une production d éthanol à partir de résidus ou déchets agricoles et/ou forestiers, la variation d impact serait sensiblement moins grande. Il s agit donc de ne pas généraliser les résultats obtenus dans le cas présent à tous les schémas de production d'éthanol et d'être conscient du fait que ceux-ci ne restent valables que dans le cas décrit dans cette étude. d. cidification L impact relatif au phénomène d acidification est ici exprimé en g de SO 2 eq. pour 100 km parcourus. Les polluants pris en compte sont les oxydes de soufre (SO x ), les oxydes d azote (NO x ), ainsi que l ammoniac (NH 3 ) gazeux. Le phénomène d acidification étant largement lié à la nature du comburant (dans le cas présent, l air, constitué de 79% d azote), les résultats dépendent en grande partie du réglage du moteur et plus particulièrement, du débit d air. Or, les moteurs actuels sont réglés de façon à fonctionner de manière optimale avec de l essence conventionnelle (et non pas avec un carburant tel que l essence 5, dont la teneur en oxygène est plus élevée du fait de la présence d éthanol) et il importe donc d interpréter les résultats de la manière la plus critique possible. Les résultats sont présentés sur la Figure 5.6, où la part des émissions relative à la phase d utilisation est indiquée par une teinte plus claire, dans la partie supérieure de chaque histogramme. 35 35 35 30 25 20 3.9 30 25 20 4.5 4.5 4.5 4.5 30 25 20 Utilisation 15 10 20.7 15 10 23.9 24.0 21.2 25.6 15 10 Production 5 5 5 0 essence 0 essence5 C M PdT 0 Légende Figure 5.6 Impact relatif au phénomène d'acidification (g SO 2 eq. /100 km) Tout comme dans le cas de l eutrophisation, l effet de l adjonction d éthanol est relativement sensible malgré le faible taux d incorporation. Selon les filières, en effet, l impact relatif à la production d un litre d éthanol (4.8-17.4 g SO 2 eq. /l) est 1.6-6 fois supérieur à l impact associé à la production d un litre d essence (2.9 g PO 4 3- eq. /l). Par ailleurs, les émissions de NO x lors de la phase d utilisation sont supérieures d environ 14% dans le cas de l essence 5, par rapport à l essence conventionnelle. L'incorporation d éthanol dans l essence conventionnelle conduit donc à une augmentation du phénomène d'acidification à la fois à la production et à l utilisation. De manière globale, cette augmentation est de l ordre de 15%. Il convient toutefois de noter que, les émissions de SO x à l utilisation n ayant pas été mesurées (Tableau 4.3), le calcul de l impact n est pas complet. Si la prise en compte de ces émissions ne changerait sans doute pas l ordre des choses, l éthanol ne comportant pas de soufre, l augmentation relative serait par contre probablement moindre. EPFL - LSEN Page 55

5.4 Evaluation des impacts par litre d Etha+ introduit sur le marché fin de mesurer de manière plus concrète et plus appréciable les bénéfices de l incorporation de bioéthanol dans l essence conventionnelle, la variation de l'impact environnemental entre les filières essence et essence 5 peut être exprimée de manière alternative, à savoir par litre d'éthanol introduit sur le marché des carburants automobiles (à prestation égale en termes de distance parcourue). Connaissant, pour un véhicule donné, les impacts occasionnés avec et sans incorporation de bioéthanol, sur une distance de 100 km, la variation d'impact par litre d'éthanol est obtenue en calculant la variation d'impact pour 100 km rapportée à la quantité d éthanol consommée sur cette même distance. Le calcul selon cette approche est présenté sur la Figure 5.7. Les calculs sont ici effectués pour la consommation d'énergie primaire non renouvelable et pour l'effet de serre (émissions de CO 2 eq. ). Les résultats sont exprimés respectivement en litres de pétrole brut équivalents (l pétrole eq. ) et en kg CO 2 eq. économisés par litre d éthanol incorporé dans l'essence, à prestation équivalente. Les résultats sont présentés dans le Tableau 5.5. Dans la suite du rapport, on nommera respectivement ces deux grandeurs Energie et CO 2. Ces économies d'énergie non renouvelable et de CO 2 indiquées ne sont valables que pour le taux d'incorporation envisagé dans cette étude, soit 5% (vol.) d éthanol dans l essence. Tableau 5.5 Variation absolue des impacts environnementaux par litre d'éthanol incorporé Grandeur calculée Critère d impact Résultat Energie [l pétrole eq. /l éthanol ] Consommation d énergie primaire 0.961 CO 2 [kg CO 2 eq. /l éthanol ] Effet de serre 2.328 Une manière alternative d envisager cette approche est illustrée dans la Figure 5.8. Cette autre approche consiste à envisager un système pour lequel le volume d éthanol incorporé est égal à 1 litre. Le volume d essence dans l essence 5 est donc ainsi de 19 litres (soit un volume total de 20 litres), et la distance parcourue s élève à 20 x 100 / 6.966 = 287.109 km. La volume total d essence conventionnel nécessaire pour parcourir la même distance est 287.109 x 7.033 / 100, soit 20.192 litres. La consommation d énergie primaire relative à un tel trajet, s élève donc à 288.8 x 287.109 / 100 = 829.270 MJ p pour l essence5 et 299.4 x 287.109 / 100 = 859.558 MJ p pour l essence. Exprimée en litres de pétrole (31.5 MJ p /l pétrole eq. ), la différence entre ces deux valeurs correspond à Energie : (859.558 829.270) / 31.5 = 0.961. Le calcul se rapportant au départ à un volume d éthanol égal à 1 litre, le résultat est exprimé en l pétrole eq. /l éthanol. Les deux approches décrites ici sont équivalentes et aboutissent bien entendu aux mêmes résultats. fin d évaluer les performances des différentes filières de production d éthanol, les calculs de Energie et CO 2 ont été effectués pour l éthanol issu de céréales, de mélasses et de pommes de terre. Les résultats sont donnés dans le Tableau 5.6. L approche présentée sur la Figure 5.8 pour le système global est reprise pour chacune des filières en annexes. Tableau 5.6 Calcul de Energie et CO 2 pour chacune des filières Grandeur calculée C M PdT Global Energie [l pétrole eq. /l éthanol ] -0.962-1.157-0.831-0.961 CO 2 [kg CO 2 eq. /l éthanol ] -2.507-1.251-2.609-2.328 EPFL - LSEN Page 56

Figure 5.7 Détails des calculs relatifs à la consommation d'énergie pour la FORD Focus EPFL - LSEN Page 57

FORD Focus 7.033 l/100 km FORD Focus 16.541 kg CO 2 /100 km Essence 100.0% 20.192 l 287.109 km Essence 100.0% 20.192 l 287.109 km 859.558 MJ p 57.720 kg CO 2 Production 859.558 MJ p Production 10.231 kg CO 2 Utilisation 0.000 MJ p Utilisation 47.489 kg CO 2 Total 859.558 MJ p Total 57.720 kg CO 2 6.966 l/100 km 16.312 kg CO 2 /100 km E = 30.3 MJ p CO 2 = 2.33 kg E = 0.96 l brut Essence 95.0% 19.000 l 287.109 km Essence 95.0% 19.000 l 287.109 km 829.270 MJ p 55.393 kg CO 2 Production 829.270 MJ p Production 8.561 kg CO 2 Utilisation 0.000 MJ p Utilisation 46.832 kg CO 2 Ethanol 5.0% 1.000 l Total 829.270 MJ p Ethanol 5.0% 1.000 l Total 55.393 kg CO 2 Figure 5.8 pproche alternative pour le calcul du Energie et du CO2 EPFL - LSEN Page 58

L économie d énergie primaire non renouvelable par litre d éthanol introduit sur le marché des carburants automobiles est donc de l ordre de 1 litre de pétrole brut équivalent. En termes d émissions de gaz à effets de serre, l économie correspondante est d environ 2.3 kg CO 2 eq. Ces résultats, encore une fois sont valables pour une incorporation d éthanol dans l essence à hauteur de 5% (vol.). Une analyse de sensibilité de ces résultats vis-à-vis des paramètres les plus déterminants de l étude est proposée dans le chapitre suivant. En pratique, l économie d énergie primaire non renouvelable ( Energie) est due au fait, d'une part, que l'on consomme moins d'énergie primaire non renouvelable (Figure 5.3) pour produire un litre d'essence 5 qu'un litre d'essence conventionnelle, et d'autre part, que l'on consomme aussi légèrement moins d'essence 5 que d'essence conventionnelle pour parcourir 100 km. En ce qui concerne l'effet de serre, le caractère renouvelable du bioéthanol vient s'ajouter aux différents effets mentionnés ci-dessus, à savoir que l on a en plus une absorption nette de CO 2 liée à la photosynthèse. Il ressort par ailleurs des résultats présentés dans le Tableau 5.6 que plus l économie d énergie primaire non renouvelable est grande, plus l économie de CO 2 est faible. Ce phénomène, qui peut à priori sembler quelque peu paradoxal (dans la mesure où l on pourrait se dire que plus on consomme de pétrole, plus on émet de CO 2 et réciproquement), s expliquer de la manière suivante : Pour chacune des matières premières envisagées, le bilan des émissions de CO 2 est négatif, c'est-à-dire que l on a une économie nette de CO 2 par unité produite. utrement dit, la culture absorbe plus de CO 2 qu il en est émis par la consommation d énergie fossile pour cette même culture. insi, chaque matière première est ainsi en quelques sortes caractérisée par le rapport de cette économie nette de CO 2 à l énergie primaire non renouvelable consommée. Ce rapport (établi par EcoInvent) varie selon la matière première, mais reste fixe pour une matière première donnée (dans des conditions de culture données). Or, la matière première contribuant très fortement au bilan environnemental de la production d éthanol, plus on désire économiser du CO 2, plus on doit dépenser de l énergie primaire non renouvelable. EPFL - LSEN Page 59

6. NLYSE DE SENSIBILITE ET SYNTHÈSE DES RÉSULTTS vant de faire la synthèse des résultats de l'cv présentée dans le chapitre 5, une analyse de sensibilité des résultats vis-à-vis des paramètres les plus pertinents est ici proposée. 6.1 nalyse de sensibilité L approche adoptée dans le cadre de l analyse de cycle de vie ainsi que les différents calculs ont permis d identifier les facteurs les plus déterminants vis-à-vis des résultats de l étude. Les paramètres retenus pour cette analyse de sensibilité sont le taux de charge de l usine, le prix des co-produits, et enfin les performances respectives des carburants à l utilisation (résultats des mesures de l EMP). a. Sensibilité vis-à-vis du taux de charge de l usine On entend ici par taux de charge de l usine, le rapport de la quantité de matière première à disposition et effectivement transformée en éthanol à la capacité maximale de traitement de l usine. Cette grandeur peut ainsi être définie pour chacune des filières ou pour l ensemble de l usine. Les différents taux de charge envisagés dans cette analyse de sensibilité s appliquent ici à toutes les filières de façon identique, et par conséquent aussi à l usine dans son ensemble. Le taux de charge de l usine correspond alors également dans ce cas à la quantité d éthanol produite rapportée à la capacité de production de l usine. Les taux de charge retenus dans le cadre de l étude sont respectivement de 88.7%, 49.0% et 85.3% pour les filières céréales, mélasses et pommes de terre (voir paragraphe 3.1). On envisage ici deux cas extrêmes, à savoir dans un premier temps un taux de charge global de 40% et puis un taux de charge de 100% (situation où l usine fonctionne à pleine capacité). L analyse de sensibilité porte ici sur (1) la consommation d énergie primaire non renouvelable et les émissions de CO 2 eq. par litre d éthanol dénaturé produit, (2) Energie et CO 2, et enfin (3) le coût de production de l éthanol. Les hypothèses relatives au scénario de référence et aux deux scénarios envisagés ici sont reprises dans le Tableau 6.1. Tableau 6.1 Hypothèses de l analyse de sensibilité vis-à-vis du taux de charge de l usine Hypothèses de l analyse de sensibilité C M PdT Global Capacité de traitement (t/an) 67'200 40'820 117'210 225'230 Capacité de production (Ml/an) 22.3 11.0 12.6 48.9 Scénario de référence Quantités de MP traitées (t/an) 60'000 20'000 100'000 180'000 Production d éthanol (Ml/an) 22.5 6.3 9.2 38.0 Taux de charge 88.7% 49.0% 85.3% - Scénario 40% Quantités de MP traitées (t/an) 26'880 16'330 46 880 90'090 Production d éthanol (Ml/an) 10.1 5.1 4.4 19.6 Taux de charge 40.0% 40.0% 40.0% 40.0% Scénario 100% Quantités de MP traitées (t/an) 67'200 40'820 117'210 225'230 Production d éthanol (Ml/an) 22.3 11.0 12.6 48.9 Taux de charge 100.0% 100.0% 100.0% 100.0% EPFL - LSEN Page 60

Les résultats sont présentés dans le Tableau 6.2. Tableau 6.2 Résultats de l analyse de sensibilité vis-à-vis du taux de charge de l usine Résultats de l analyse de sensibilité C M PdT Global Energie primaire non renouvelable (MJ p /l) Scénario de référence 20.32 14.19 24.45 20.34 Scénario 40% 22.89 14.70 30.47 22.47 Scénario 100% 20.22 12.60 24.17 19.13 Effet de serre (kg CO 2 eq. /l) Scénario de référence -1.25 0.00-1.36-1.07 Scénario 40% -1.25 0.03-1.08-0.88 Scénario 100% -1.25-0.04-1.34-0.96 Energie (l eq. pétrole /l éthanol ) Scénario de référence -0.96-1.16-0.83-0.96 Scénario 40% -0.88-1.14-0.64-0.89 Scénario 100% -0.97-1.21-0.84-1.00 CO 2 (kg CO 2 eq. /l éthanol ) Scénario de référence -2.51-1.25-2.61-2.33 Scénario 40% -2.50-1.23-2.33-2.13 Scénario 100% -2.50-1.29-2.60-2.21 Coût de production (SFr/l) Scénario de référence 1.60 1.22 1.52 1.52 Scénario 40% 1.94 1.32 1.94 1.78 Scénario 100% 1.57 0.99 1.46 1.39 Globalement, la sensibilité de résultats vis-à-vis du taux de charge est la plus grande pour le coût de production de l éthanol. Selon les scénarios, celui-ci varie de +10% à -9%. Concernant l énergie primaire non renouvelable et l effet de serre, l effet d une variation du taux de charge est sensiblement plus complexe. Le taux de charge, en effet, a une influence directe sur le coût spécifique des différentes étapes du procédé, par litre d éthanol produit. Il intervient donc directement dans le calcul des facteurs d allocation (voir paragraphe 3.6e). On constate ici que si la consommation d énergie primaire non renouvelable et (par conséquent) Energie suivent le taux de charge (autrement dit, plus le taux de charge est élevé, plus la consommation d énergie primaire non renouvelable est faible et plus Energie est élevé), il n en va pas de même pour les émissions de CO 2 eq. et CO 2. Contrairement à l énergie primaire, l optimum en termes de CO 2 ne correspond pas forcément au taux de charge maximum. L optimum est en fait obtenu pour un shadow price des vinasses égal à zéro. Dans le cas des filières céréales et pommes de terre, le scénario 100% a pour effet d augmenter le shadow price des vinasses (déjà positif dans le scénario de référence) et nous éloigne donc de l optimum, résultant ainsi en une situation moins bonne du point de vue de l effet de serre et de l économie de CO 2. Dans le cas de la filière mélasses, en revanche, le scénario 100% donne lieu à un shadow price des vinasses moins négatif que pour le scénario de référence, donc à une situation meilleure du point vue du CO 2. Globalement, le scénario de référence est plus avantageux que le scénario 100% du point de vue du CO 2. EPFL - LSEN Page 61

Il convient enfin de noter que d une manière générale, les résultats de l CV (contrairement au coût de production) sont relativement peu sensibles au taux de charge. insi, en travaillant à pleine charge, on améliore Energie de 4%, mais on réduit CO 2 de 5%. Ce comportement est très lié au choix d une méthode d allocation selon la valeur économique des co-produits. b. Sensibilité vis-à-vis du prix des co-produits En relation avec le choix d une méthode d allocation selon la valeur économique, on analyse ici la sensibilité des résultats vis-à-vis du prix des co-produits. On envisage ici deux scénarios de variation du prix des co-produits, respectivement de +30% et -30% par rapport aux prix de référence retenu pour cette étude. Les hypothèses sont précisées dans le Tableau 6.3. Tableau 6.3 Hypothèses de l analyse de sensibilité vis-à-vis du prix des co-produits Prix des co-produits selon le scénario (SFr/t) C M PdT Global Scénario de référence 270 130 260 - Scénario +30% 350 170 340 - Scénario 30% 210 100 200 - L analyse de sensibilité porte ici, comme précédemment, sur (1) la consommation d énergie primaire non renouvelable et les émissions de CO 2 eq. par litre d éthanol dénaturé produit, (2) Energie et CO 2, et (3) le coût de production de l éthanol. Les résultats de l analyse de sensibilité vis-à-vis du prix des co-produits sont présentés dans le Tableau 6.4. Tableau 6.4 Résultats de l analyse de sensibilité vis-à-vis du taux de charge de l usine Résultats de l analyse de sensibilité C M PdT Global Energie primaire non renouvelable (MJ p /l) Scénario de référence 20.32 14.19 24.45 20.34 Scénario +30% 19.45 13.04 22.85 19.24 Scénario 30% 21.04 15.30 27.33 21.65 Effet de serre (kg CO 2 eq. /l) Scénario de référence -1.25 0.00-1.36-1.07 Scénario +30% -1.19-0.04-1.25-1.02 Scénario 30% -1.31 0.06-1.23-1.07 Energie (l eq. pétrole /l éthanol ) Scénario de référence -0.96-1.16-0.83-0.96 Scénario +30% -0.99-1.19-0.88-1.00 Scénario 30% -0.94-1.12-0.74-0.92 CO 2 (kg CO 2 eq. /l éthanol ) Scénario de référence -2.51-1.25-2.61-2.33 Scénario +30% -2.44-1.29-2.51-2.27 Scénario 30% -2.56-1.20-2.48-2.32 Coût de production (SFr/l) Scénario de référence 1.60 1.22 1.52 1.52 Scénario +30% 1.52 1.14 1.40 1.43 Scénario 30% 1.66 1.28 1.60 1.58 EPFL - LSEN Page 62

Comme pour le taux de charge, la variation du prix des co-produits a une influence directe sur le shadow price des vinasses. insi, une augmentation du prix des co-produits donne lieu à un shadow price des vinasses plus élevé et réciproquement. L explication des différents effets de la variation du prix des co-produits sur les résultats est la même que pour le taux de charge. La variation du coût de production, selon les scénarios est de -6% et +4%. De façon globale, Energie et CO 2 sont relativement peu sensibles au prix des co-produits. Selon les scénarios, Energie varie de +4% à -4%. Encore une fois, le scénario de référence est le plus avantageux des trois scénarios en termes de CO 2. c. Sensibilité vis-à-vis du prix des performances à l utilisation Le dernier volet de l analyse de sensibilité vise enfin à évaluer l effet sur les résultats, d une variation des performances de l essence et de l essence 5 à l utilisation. La performance est ici mesurée en termes de consommation spécifique de carburant (l/100 km), ainsi qu en termes d émissions directes de CO 2 à l échappement. Parallèlement au scénario de référence, deux scénarios sont ici envisagés : (1) le scénario dit égalité où les performances sont les mêmes pour les deux carburants, et (2) le scénario inverse où les performances des deux carburants sont renversées par rapport au scénario de référence. Le scénario de référence, correspondant aux mesures réelles effectuées, est en faveur de l essence 5, tandis que le scénario inverse est au contraire en faveur de l essence et le scénario égalité place les deux carburants à un même niveau de performances. Les diverses hypothèses sont précisées dans le Tableau 6.5. La justification du choix d une telle analyse de sensibilité vis-à-vis des performances lors de la phase d utilisation provient du fait que ces performances résultent d un seul jeu de mesures sur un unique véhicule, et connaissant le potentiel de variabilité de telles mesures, il a semblé judicieux d évaluer l importance de ces indicateurs de performance. Tableau 6.5 Hypothèses de l analyse de sensibilité vis-à-vis des performances à l utilisation Performances à l utilisation Essence essence 5 Scénario de référence (faveur à l essence 5 ) Consommation spécifique (l/100 km) 7.033 6.966 Emissions de CO 2 (kg CO 2 /100 km) 16.463 16.238 Scénario égalité Consommation spécifique (l/100 km) 7.000 7.000 Emissions de CO 2 (kg CO 2 /100 km) 16.350 16.350 Scénario inverse (faveur à l essence) Consommation spécifique (l/100 km) 6.966 7.033 Emissions de CO 2 (kg CO 2 /100 km) 16.238 16.463 L analyse de sensibilité porte sur (1) la consommation d énergie primaire non renouvelable et les émissions de CO 2 eq. par 100 km parcourus, et (2) Energie et CO 2. La prise en compte du coût de production n a plus lieu d être, l analyse de sensibilité s appliquant ici à l essence et à l essence 5 (et non plus aux filières de production de bioéthanol). La filière de production d éthanol retenue ici est la filière globale (C, M, PdT). Les résultats de l analyse de sensibilité vis-à-vis des performances des carburants lors de la phase d utilisation sont présentés dans le Tableau 6.6. EPFL - LSEN Page 63

Tableau 6.6 Résultats de l analyse de sensibilité vis-à-vis des performances à l utilisation Résultats de l analyse de sensibilité essence essence 5 Energie primaire non renouvelable (MJ p /100 km) Scénario de référence 299.38 288.84 Scénario égalité 297.98 290.25 Scénario inverse 296.53 291.61 Energie (l eq. pétrole /l éthanol ) Scénario de référence - -0.96 Scénario égalité - -0.70 (-27%) Scénario inverse - -0.44 (-54%) Effet de serre (kg CO 2 eq. /100 km) Scénario de référence 20.10 19.29 Scénario égalité 19.97 19.42 Scénario inverse 19.85 19.55 CO 2 (kg CO 2 eq. /l éthanol ) Scénario de référence - -2.33 Scénario égalité - -1.58 (-32%) Scénario inverse - -0.85 (-64%) Il ressort de cette analyse de sensibilité que les mesures de performance jouent un rôle majeur dans l évaluation des résultats de l analyse de cycle de vie. Si l effet sur les résultats exprimés par 100 km parcourus est relativement faible, l effet sur Energie et CO 2 est en revanche particulièrement significatif. On constate ainsi entre le scénario de référence et le scénario égalité une diminution de 27% pour Energie et de 32% pour CO 2. Entre le scénario de référence et le scénario inverse, la diminution est de 54% pour Energie et de 64% pour CO 2. La diminution de CO 2 est liée à la fois à la variation des émissions de CO 2 et à celle de la consommation spécifique ( CO 2 est calculé à prestations égales en termes de distance parcourue), ce qui explique la diminution plus importante de CO 2 par rapport à Energie, pour un même scénario. Cette constatation est à prendre en compte de manière très sérieuse et une validation des mesures réalisées par l EMP, grâce à de nouveaux tests, est recommandée. 6.2 Synthèse des résultats de l CV L ensemble des résultats de l CV présentés dans le chapitre 5 est repris dans le Tableau 6.7. Ces résultats, à la lumière de l analyse de sensibilité (paragraphe 6.1), permettent de tirer les conclusions suivantes concernant les critères d impact envisagés : D un point de vue énergétique, l'incorporation d'éthanol dans l essence se traduit par une diminution de l énergie primaire non renouvelable consommée pour une même distance parcourue. Cette réduction, liée à la nature renouvelable du bioéthanol est encore accrue du fait que l'incorporation d'éthanol dans l'essence s'accompagne d'une baisse de la consommation spécifique du véhicule. Cependant, l économie d énergie primaire non renouvelable réalisée (de l ordre de 1 l pétrole eq. /l éthanol ) est justement très sensible à cette diminution de la consommation spécifique. Une nouvelle série de mesures des performances respectives de l essence et de l essence 5 permettrait de donner plus de crédit aux résultats présentés dans cette étude. EPFL - LSEN Page 64

Tableau 6.7 Tableau récapitulatif des résultats de l analyse de cycle de vie Carburant Etha+ Véhicule - Unité fonctionnelle (u.f.) [litre] Filière C M PdT Consommation d énergie... [MJp/u.f.] 020.322 014.185 024.445 FE... [MJ/MJp] 001.048 001.502 000.871 Energie...[lpétrole eq./léthanol] - - - CO2... [kg CO2 eq./léthanol] - - - Production Effet de serre...[kg CO2 eq./ u.f.] 000.419 000.482 000.414 Eutrophisation... [g PO4 3- eq./ u.f.] 000.096 000.038 000.066 cidification... [g SO2 eq./ u.f.] 003.440 003.042 003.670 Utilisation Effet de serre...[kg CO2 eq./ u.f.] - - - Eutrophisation... [g PO4 3- eq./ u.f.] - - - cidification... [g SO2 eq./ u.f.] - - - Total Effet de serre...[kg CO2 eq./ u.f.] 000.419 000.482 000.414 Eutrophisation... [g PO4 3- eq./ u.f.] 000.096 000.038 000.066 cidification... [g SO2 eq./ u.f.] 003.440 003.042 003.670 Globale 020.336 001.047 - - 000.428 000.079 003.431 - - - 000.428 000.079 003.431 C 288.830 000.759 0 0.962 0 2.507 002.919 000.671 023.960 016.312 000.000 004.480 019.231 000.671 028.440 essence5 FORD [100 km] M PdT 286.692 290.266 000.765 000.756 0 1.157 0 0.831 0 1.251 0 2.609 003.357 002.884 000.268 000.458 021.189 025.562 016.312 016.312 000.000 000.000 004.480 004.480 019.668 019.195 000.268 000.458 025.669 030.042 Globale 288.835 000.759 0 0.961 0 2.328 002.982 000.553 023.902 016.312 000.000 004.480 019.293 000.553 028.382 essence FORD [100 km] Fossile 299.384 000.752 - - 003.563 000.173 020.708 016.541 000.000 003.920 020.104 000.173 024.628 EPFL - LSEN Page 65

Le FE de l essence5 est légèrement supérieur à celui de l essence conventionnelle, du fait d un FE de l Etha+ juste supérieur à 1, sur l ensemble des filières. Du point de vue de l effet de serre, l essence5 présente une diminution globale des émissions de CO 2 eq., à la fois lors de la phase de production et à l utilisation. Par litre d éthanol introduit sur le marché des carburants (et utilisé sous forme d essence 5 ), l économie de CO 2 réalisée est de l ordre de 2.3 kg CO 2 eq. Cependant, l analyse de sensibilité a permis de constater que cette économie de CO 2 (tout comme l économie d énergie primaire non renouvelable) est particulièrement liée aux performances de l essence 5 (par rapport à l essence) lors de la phase d utilisation. Concernant le phénomène d eutrophisation, en revanche, les résultats sont largement défavorables à l incorporation d éthanol dans l essence. Ce phénomène étant associé essentiellement à la mise à disposition de la matière première, la nature de celle-ci joue un rôle essentiel dans l évaluation de l impact. noter, par ailleurs que seule la phase de production et de mise à disposition des carburants entre en jeu, l'impact à l'utilisation étant nul. Du point de vue de l acidification, les résultats sont, de façon générale, défavorables à l'incorporation d éthanol dans l essence. Là encore, l étape de mise à disposition de la matière première joue un rôle essentiel. Par ailleurs, l incorporation d éthanol dans l essence se traduit par une légère augmentation des émissions d oxydes d azote. Ce phénomène, cependant n a rien à voir avec l éventuelle présence de traces d azote dans l éthanol, mais s avère essentiellement lié à la nature du comburant (ici, l air) et dépend donc en grande partie du réglage du moteur et plus particulièrement, du débit d air. Il convient toutefois de noter que, les émissions de SO x à l utilisation n ayant pas été mesurées, le calcul de l impact n est pas complet. Si la prise en compte de ces émissions ne changerait sans doute pas l ordre des choses, l éthanol ne comportant pas de soufre, l augmentation relative serait par contre probablement moindre. noter que les résultats présentés dans ce chapitre sont valables pour le taux d'incorporation d éthanol envisagé dans cette étude (soit 5% vol.). Les conclusions présentées ici ne peuvent donc pas être généralisées à des taux d'incorporation autres que ceux envisagés dans le cadre de cette étude. partir des données présentées dans le Tableau 6.7, il est alors possible d'évaluer la variation d'impact relative à l'incorporation d éthanol dans l essence. Les valeurs sont précisées dans le Tableau 6.8. Tableau 6.8 Variation relative des impacts de la filière essence5 par rapport à la filière essence Critère d impact environnemental Variation de l impact à prestation équivalente Consommation d énergie 3.5% Effet de serre 4.0% Eutrophisation + 15.2% cidification + 219.2% EPFL - LSEN Page 66

7. CONCLUSIONS Dans le cadre de la présente étude, l utilisation d éthanol-carburant est envisagée sous forme d un mélange de 5% (vol.) d éthanol (Etha+ ) et de 95% (vol.) d essence conventionnelle sans plomb, repris sous le terme essence 5. La production, la mise à disposition auprès du consommateur et l utilisation de l essence 5 ont été comparées à la filière conventionnelle correspondante, à savoir la production, la mise à disposition et l utilisation de l essence sans plomb 95. Les objectifs principaux de cette étude visaient essentiellement à : comparer, à l'aide d une méthode d'analyse de cycle de vie rigoureuse et reconnue, les impacts environnementaux relatifs à la production et l'utilisation des carburants automobiles susmentionnés, sur la base de données cohérentes et actualisées ; évaluer la sensibilité des résultats aux paramètres déterminants les plus pertinents et aux diverses matières premières envisagées, afin d'établir un intervalle de confiance ainsi que des perspectives. fin de caractériser les impacts environnementaux associés à chaque filière, une analyse de cycle de vie des carburants envisagés a été accomplie. Les critères d'impact retenus sont : consommation d énergie primaire non renouvelable ; effet de serre ; eutrophisation ; acidification. Ces critères d'impact ont ainsi été quantifiés pour chaque étape du cycle de vie des carburants, à savoir la phase de production (ressources, culture de la matière première, collecte, transport, stockage, transformation et distribution) et la phase d'utilisation du carburant, afin d'obtenir un inventaire détaillé des émissions polluantes et des ressources consommées. 7.1 Bilan des résultats de l'analyse de cycle de vie des carburants Les résultats de l'analyse de cycle de vie réalisée dans le cadre de cette étude (chapitres 5 et 6) démontrent clairement les avantages de l essence 5 par rapport à l essence conventionnelle en termes de réduction de la consommation d énergie primaire non renouvelable ainsi que des émissions de gaz à effet de serre, du fait de la nature renouvelable de l éthanol et des ses performances en tant qu additif à l essence sans plomb. En revanche, les impacts relatifs aux phénomènes d acidification et d eutrophisation sont défavorables à l utilisation d éthanol, principalement du fait de la nature des matières premières retenues, à savoir des matières premières d origine agricole (céréales, pommes de terre) ou directement dérivées de produits agricoles (mélasses de betteraves). 7.2 Limites de l étude et des résultats présentés L approche envisagée dans cette étude se limite au point de vue du producteur de bioéthanol dans le sens où l on ne tient pas compte de l effet induit par l utilisation, pour la production d éthanol, des matières premières identifiées et habituellement utilisées à d autres fins. Dans l optique choisie, l éthanol constitue pour le producteur de la matière première un débouché comme un autre et ce producteur est seul responsable du marché auquel il destine son produit. EPFL - LSEN Page 67

Dans une optique plus globale de politique publique, la question de l allocation d une matière première rare entre différents usages est très pertinente ; mais il conviendrait alors de conduire une telle analyse à une échelle beaucoup plus large, celle du développement de la filière éthanol en Suisse. l échelle de la seule usine projetée, ce dernier aspect n est pas pris en compte dans cette étude. La présente étude envisage non seulement la production intégrée d éthanol à partir des trois matières premières de manière globale au sein de l usine multi-matières, mais également la production d éthanol à partir de chacune des matières premières, de façon distincte. Toutefois, il est important de ne pas se méprendre sur le système qui est décrit. En effet, l évaluation des impacts par filière de production s applique bel et bien aux trois filières envisagées, dans le contexte précis décrit tout au long du de l étude, compte tenu de la disponibilité et du prix des différentes matières premières, du choix de l usine multi-matières, des périodes de production envisagées, du taux de charge de l usine, des conditions cadres relatives à la valorisation des co-produits, etc. insi, par exemple, l analyse de cycle de vie d une usine d éthanol basée exclusivement sur des céréales n aboutirait très probablement pas au résultat obtenu ici pour la filière céréales. Les résultats établis par filière sont donc tout à fait spécifiques aux conditions précises de l étude. Il existe aujourd'hui, à travers le monde, de nombreuses études visant à évaluer, du point de vue des impacts environnementaux, l'effet de l'incorporation de bioéthanol dans les carburants conventionnels. Comme dans le cas de la présente étude, la comparaison des divers carburants repose, dans la grande majorité des cas, sur une analyse de cycle de vie, permettant ainsi de tenir compte du cycle du carburant dans son ensemble, incluant ainsi la phase de production du carburant, mais également la phase d'utilisation dans un véhicule. Il est cependant souvent impossible de comparer les résultats de telles études, tant les paramètres et les hypothèses qui interviennent (et qui sont susceptibles de différer) sont nombreux. On notera en particulier le choix de la méthode d'analyse et d'allocation, le taux d'incorporation de bioéthanol envisagé, le type de véhicule, la technologie de transformation ou encore le mode de production de la biomasse ou encore la situation géographique. Pour ces diverses raisons, les résultats obtenus dans cette étude ne sont comparés à aucune autre étude analogue et ne peuvent en aucun cas être généralisés à d'autres contextes que ceux décrits dans cette étude. EPFL - LSEN Page 68

8. REFERENCES BIBLIOGRPHIQUES 1. EMP (2002).Bio-Ethanol Projekt : Untersuchungen hinsichtlich des Emissionsverhaltens an einem Nutzfahrzeug und zwei Personenfahrzeugen, Rapport de recherche No. 202'672, Dübendorf (CH). 2. Grassi, G. (2000). Bioethanol : Industrial world perspectives. In Renewable Energy World, James X James, May-June 2000. 3. Helbling Ingenieurunternehmung G (2002). ssessment inkl. Rentabilitätsberechnung im Projekt Bioethanol für Treibstoffe, Rapport No. 30350 00 MOR Bioethanol, établi par Helbling Ingenieurunternehmung G, pour lcosuisse, Centre de profit de la Régie Fédérale des lcools, Copyright lcosuisse 2002. 4. ICCEPT (2003). Technology status review and carbon abatement potential of renewable transport fuels in the UK. Report B/U2/00785/REP prepared for DTI New and Renewable Energy Programme, by Imperial College Centre for Energy Policy and Technology (ICCEPT), Imperial College, 2003. 5. ISO/FDIS 14040 on Environmental Management (1997). Life cycle assessment : Principles and framework, prepared by the Technical Committee ISO/TC 207 & Subcommittee SC5, Environmental Management. 6. Jolliet, O., Crettaz, P. (2000). nalyse environnementale du cycle de vie : De la critique à la réalisation d'un écobilan, Ecobilan en ingénierie et management de l'environnement, Presses Polytechniques Universitaires Romandes (PPUR). 7. LSEN (2002). Etude comparative de carburants par analyse de leur cycle de vie. Rapport No. 415.105, établi par le Laboratoire de Systèmes Energétiques (LSEN) de l EPFL, pour lcosuisse, Centre de profit de la Régie Fédérale des lcools, Copyright lcosuisse 2002. 8. Maguin Interis (2002). Etude budgétaire pour une unité de production d alcool carburant à partir de céréales, mélasses de betteraves et pommes de terre. Rapport 2270C-DE-02 établi par Maguin Interis, pour lcosuisse, Centre de profit de la Régie Fédérale des lcools, Copyright lcosuisse 2002. 9. Planair S (2002). Développement d une filière de carburant au bioéthanol : Rapport final de la phase d investigations. Rapport établi par PLNIR S Bureau d ingénieurs SI, pour lcosuisse, Centre de profit de la Régie Fédérale des lcools, Copyright lcosuisse 2002. 10. Planair S (2003). Etapes de développement du projet Etha+ 2004-2012 : Scénario de référence. Document établi à l attention de la Direction Générale des Douanes. Rapport établi par PLNIR S Bureau d ingénieurs SI, pour lcosuisse, Centre de profit de la Régie Fédérale des lcools, Confidentiel, Copyright lcosuisse 2003. 11. Pré Consultants BV (1999). Eco-Indicator 99 : damage oriented method for Life Cycle Impact ssessment (Methodology Report), mersfoort (B). 12. RWB Eau et Environnement S (2004). Unité de production multi-matières premières : Traitement des effluents, Etude préliminaire. Rapport établi par RWB Eau et Environnement S, pour lcosuisse, Centre de profit de la Régie Fédérale des lcools, Copyright lcosuisse 2004. EPFL - LSEN Page 69

13. UK DfT (2003). International resource costs for biodiesel and bioethanol. Report prepared by E Technology for the UK Department for Transport, UK. 14. USD (2002). The energy balance of corn ethanol : n update. gricultural Economic Report No. 813, United States Department of griculture. 15. Wooley R., et al. (1999). Lignocellulosic biomass to ethanol process design and economics utilizing co-current dilute acid prehydrolysis and enzymatic hydrolysis current and futuristic scenarios, Biotechnology Center for Fuels and Chemicals, National Renewable Energy Laboratory, US DOE, Golden CO (US). EPFL - LSEN Page 70