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