Combustibles et carburants, attention, ne pas confondre !

Un combustible est quelque chose qui peut brûler. Un carburant est un combustible qui alimente un moteur. Les combustibles ont des noms qui peuvent prêter à confusion :

Le gazole, qu’on appelle aussi le gasoil ou le diesel, est le carburant convenant au moteur Diesel1.  Ne pas  le confondre avec « gazoline », un mot anglais qui signifie « essence ».

Le fioul domestique est parfois appelé aussi huile au Canada et en Suisse, et mazout dans certaines régions de France. Il destiné aux chaudières pour le chauffage. Il est proche du gazole, avec des performances inférieures. Ne pas le confondre avec : fuel, mot anglais qui se prononce presque pareil mais signifie « combustible ». N’importe quel matériau, solide, liquide ou gazeux pouvant brûler est un «fuel », c’est à dire un combustible : charbon, essence, méthane, …

Le Pétrole (en anglais « petroleum » ou « crude oil ») est un liquide minéral inflammable, composé surtout d’hydrocarbure (molécule composée uniquement de carbone et d’hydrogène). Le pétrole est dit « minéral », car on l’extrait du sol, bien que son origine lointaine soit organique. Ne pas confondre avec  le mot anglais « petrol »  qui désigne , comme « gazoline », de l’« essence » en français.

Oil est un mot anglais signifiant « huile ». Mais dans le domaine pétrolier, il désigne tout liquide pouvant brûler, en particulier le pétrole. Le « petroleum » est une « Oil » en anglais.

L’Huile est un corps gras liquide à température ambiante, qui ne se mélange pas à l’eau. Il existe toutes sortes d’huiles, qui sont utilisées en cuisine, en parfumerie, ou qu’on utilisait avant dans des lampes à huile, pour s’éclairer (c’était bien polluant !). On utilise aussi certaines huiles dans les moteurs, pour lubrifier les pièces qui bougent, qui sinon se bloqueraient rapidement. Ces huiles ne sont pas utilisées comme carburant.

Pour être utilisée comme carburant dans un moteur Diesel, l’huile doit posséder certaines propriétés, en particulier être « neutre ». Les huiles végétales de colza et tournesol  conviennent, mais pas toutes les huiles fabriquées par les micro-algues.

Le Biodiesel est un gasoil n’a rien de « bio » au sens de l’agriculture biologique, celle qui est soumise à des normes strictes concernant l’utilisation de pesticides et autres produits chimiques.  Il  désigne  l’agro-diesel de première génération, obtenu par le procédé de Fischer-Tropsch. Par extension le terme désigne aussi toutes les huiles non minérales destinées aux moteurs Diesel.

 

  1. le moteur Diesel a été inventé par M. Diesel []

Le projet Probio3

probio3

«Demain, les avions vont voler avec l’utilisation de déchets agricoles et forestiers », a déclaré Carole Molina-Jouve, professeur à l’Institut national des sciences appliquées de Toulouse et coordinatrice de ProBio3, ajoutant que le défi est de passer de 20 litres produits en ce moment en laboratoire à un processus industriel de masse.

Le  projet ProBio3 est porté par l’institut national de la recherche agronomique (INRA) et assuré pour la partie scientifique par l’INSA, l’INRA et le CNRS. Il reçoit plus de vingt millions sur huit ans pour développer une filière industrielle.

«Nous sommes sur la même technologie que la production de bière avec de la fermentation à partir de levures et de bactéries. Le processus permet de convertir en hydrocarbures du carbone issu de déchets agricoles (paille, copeaux de bois, déchets forestiers…). Il est bien entendu hors de question de produire du biokérosène à partir de matières premières alimentaires» explique-t-elle.

«Les carburants du futur, c’est la discussion du moment en aéronautique. Nous avons deux défis à relever : répondre à la demande croissante en énergie en réduisant l’impact sur l’environnement et augmenter notre indépendance énergétique. Les carburants liquides représentent l’utilisation la plus rationnelle pour l’industrie aéronautique : pour faire voler un avion, il faut être le plus léger possible. Nous voulons être les sponsors et les architectes de ce projet. Il n’y a pas de temps à perdre, 2020, c’est demain et nous devons atteindre l’objectif de production de deux millions de tonnes de biokérosène par an. Il y aura beaucoup de filières concurrentes, la France doit se positionner», confie Jean Botti, directeur technique exécutif d’EADS.

Le projet Probio3 a été lancé fin 2012. Il s’étale sur 8 ans, et comprend plusieurs phases :

  • phase 1 – évaluer la fermentescibilité de différents sous produits industriels, de résidus secs à à forte teneur de ligno-cellulose pouvant constituer une source de matière première stable pour la filière. La conversion de la biomasse en lipides devrait avoir lieu en une seule étape par des micro-organismes possédant les deux fonctions de dégradation des longues chaines moléculaires et leur transformation en lipide.
  • phase 2 – optimiser la production de lipides, à l’aide de nouveaux micro-organismes, en tenant compte d’exigences industrielles.
  • phase 3 – transposer les techniques d’extraction traditionnelles d’huile (de graines) à la cellule, à l’aide de solvants verts.
  • phase 4 – quantifier les performances pour chaque microorganisme/substrat pour des production allant jusqu’au m3. Est aussi étudiée la possible valorisation de co-produits qui viendrait diminuer les coûts de production.
  • phase 5 – évaluer les impacts environnementaux, économiques et éthiques.
  • phase 6 – transfère les résultats de la recherche

 

Les transports de demain

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14litres Batteries et agro-carburants pour les transports

Le moteur à explosion est une invention du 19 ème siècle, place aux nouvelles inventions !

Rien qu’en France 150 000 tonnes de pétrole partent chaque jour en fumée dans les moteurs ! Dans le monde, 8 milliards de litres !  Et le nombre de voitures dans le monde ne cesse d’augmenter ! De plus, dans un moteur à explosion seuls 25% environ de l’énergie contenue dans l’essence ou le gasoil sert à faire tourner le moteur. L’essentiel de l’énergie part en chaleur, alors que chaque litre d’essence libère 1 200 litres de CO2.

A l’avenir comment remplacer ce pétrole (et autres fossiles) ?

  • Par de l’électricité : de nombreux véhicules seront électriques si le prix des batteries devient compétitif. Mais il faudra alors augmenter la capacité de production d’électricité : si on remplaçait tous les réservoirs d’essence par des batteries,  la consommation d’électricité augmenterait de180 TWh d’électricité  par an, rien qu’en France1 , c’est-à-dire  qu’il faudrait augmenter d’un tiers la production électrique française actuelle.
  • Par des agro-carburants, de l’hydrogène ou du méthane, produits massivement de façon durable. Cela sera peut-être possible par l’utilisation de micro-algues.

Mais dans tous les cas, la solution sera plus facile à trouver si la consommation d’énergie diminue, en baissant la part de la voiture dans nos déplacements avec des transports en commun par exemple !

velo electrique Le vélo électrique

Il y a plus de 100 millions de vélos électriques en Chine !

La bicyclette est le moyen de transport le plus économique.  Elle utilise la force musculaire. Avec une assistance électrique, elle reste faite pour les petits trajets. Par définition sa vitesse est limitée à 25 km/h. La batterie (2 à 3 kg) possède une autonomie proche de 50 km, elle est capable d’absorber les côtes les plus raides, et le prix de l’électricité est inférieur à 1 euro les 1000 kilomètres.  En comptant le prix du vélo et de la batterie, le prix du  km est inférieur à 3 centimes ! Elle est utile à la campagne et zones peu denses, par les chemins et petites routes. En ville, il faut des adaptations : parkings sécurisés, bornes de recharge, voies aménagées pour les cycles.

voiture basse consommation La voiture basse consommation

Une automobile consomme entre 20 et 40 fois ce que consomme un vélo pour parcourir la même distance, à cause de son poids et de sa vitesse bien plus grande.

Plus la voiture est légère, moins elle a d’inertie,  et moins elle a besoin d’énergie à l’accélération. Réduire la masse des voitures permet de réduire leur consommation. Mais ce n’est pas la seule façon de la réduire.

Par exemple les pneus dissipent de l’énergie en changeant de forme quand ils roulent, les pneus « verts » permettent une réelle économie. L’arrêt du moteur aux feux rouges constitue aussi un gain en ville. Mais l’hybridation permet d’envisager des réductions encore plus importantes de la consommation2

voiture hybride La voiture hybride

Une voiture hybride électrique possède deux moteurs : un moteur à essence et un moteur électrique.

La  Prius de seconde génération, qui fait référence dans le domaine rejette environ 90 grammes de CO2 dans un circuit urbain : son moteur électrique prend le relais dans les embouteillages, dans les accélérations, … et la batterie qui l’alimente se recharge au freinage : l’énergie de la vitesse, plutôt qu’être perdue en chaleur dans les freins, est convertie en électricité et recharge la batterie. Pour ceci,  il n’est besoin que d’une batterie capable de stocker 2 ou 3 kWh. En technologie NiMH, elle ne pèse que 30  kg.  Elle offre une autonomie très réduite de quelques kilomètres, mais l’intérêt est ailleurs :  la gestion astucieuse de l’énergie permet de réduire la consommation de carburant d’un facteur 2 en ville ainsi que les émissions de CO2.

Mais sur l’autoroute seul, le moteur thermique fonctionne, et l’hybridation n’apporte aucun avantage sur la consommation ou le rejet de CO2.

La voiture hybride chargeable

Les batteries faisant encore des progrès, elles  permettront, pour quelques kilogrammes de plus, une autonomie de 30 à 40 km. Les voitures hybrides pourront être rechargées à l’arrêt, pour ne rouler que sur batterie, en ville. Ce sont les hybrides chargeables ou hybrides « plug-in ».

La voiture hybride à air comprimé

Une variante de la voiture hybride consiste à utiliser l’air comprimé pour stocker l’énergie perdue au freinage. La capacité d’une bombonne de 80 litres pouvant supporter une pression de 300 bars (environ 300 fois la pression atmosphérique), est de l’ordre de  3 kWh3. Mais lorsque l’on comprime l’air, il chauffe, et lors qu’il se détend il refroidit, et seule une partie de l’énergie peut être convertie en énergie de mouvement, pour quelques kilomètres.  L’autonomie d’une voiture fonctionnant uniquement à l’air comprimé est très réduite. Mais dans un système hybride elle permet d’économiser plus de 30 % de carburant en ville.

Pour ce qui est du prix,  pour l’instant, les véhicules hybrides, quel que soit leur nature, sont plus chers que les véhicules conventionnels.

voiture electrique La voiture électrique est-elle propre ?

En France, 80 % des trajets sont inférieurs à 80 km. La voiture électrique y est très bien adaptée. Mais est-elle vraiment plus propre ?

D’abord combien consomme-t-elle ? Une voiture consomme entre 20 et 40 fois l’énergie d’un vélo. Pour les trajets inférieurs à 150 km, un réservoir de 30 kWh suffit, comme une batterie au lithium-ion de 200 kg.  Par contre l’autonomie décroit si les phares, ou surtout le chauffage, sont utilisés. Le rechargement de la batterie s’effectue sur une prise électrique, et prend entre 6 à 8 heures à cause de la limitation du réseau électrique. Les batteries pourraient être chargées en moins d’une heure avec des bornes « flash » de 40 kW de puissance, mais le réseau ne serait pas capable de supporter que des dizaines de milliers de voitures se chargent à la même heure.  De plus ce type de charge rapide détériore la batterie (pour en savoir plus, à ce sujet, voir les recherches menées à l’IFFSTAR ).

Pour ce qui est du CO2, combien une voiture électrique en émet-elle  ? En fait, cela dépend de comment l’électricité est produite : avec du charbon, qui émet 1 000 g de CO2 par kWh électrique produit, une voiture Li-ion émet presque 250 g au kilomètre, contre moins de 160 g pour une voiture à essence moderne, et encore moins pour une voiture hybride, en ville.  En France et dans d’autres pays où la fabrication d’électricité émet peu de  CO2 (entre 45 et 85 g de CO2 en France selon l’heure), la voiture électrique a un impact positif.

Quant à l’ensemble du CO2 émis durant la construction et le recyclage, il représente des centaines de kilos de CO2 par an sur toute la durée de vie de la voiture, pour une voiture à essence comme pour une voiture électrique. Allonger la durée de vie des véhicules permet d’amortir l’impact de leur construction.

Le prix des voitures électriques est encore très élevé, à cause du prix des batteries. Diminuer la masse des batteries, allonger leur durée de vie, permettra de baisser leur prix et être compétitif.

Enfin un autre avantage de la voiture électrique est l’absence de rejets de polluants comme les oxydes d’azote ou les particules, en particulier en ville.

fille Le covoiturage

N’utiliser qu’une voiture, et voyager ensemble, c’est plus sympathique. Cela demande plus de souplesse, un peu plus d’organisation, mais quelle économie ! Une seule voiture qui se déplace au lieu de deux ou trois, ça fait une vraie différence à la longue !

bus Le casse tête des transports en communs

Un trajet en bus consomme 3 fois moins d’énergie qu’en voiture, et un trajet en train 6 fois moins.

L’usager se satisfait des transports collectifs lorsque le réseau est dense, dans des très grandes villes comme Paris. Ainsi il peut plus ou moins rapidement atteindre sa destination. Cela suppose de nombreux équipements qui, forcément, circuleront à vide, ou presque, aux heures creuses. Or un autobus, par exemple, qui ne circule qu’avec un ou deux passagers, consomme plus d’énergie et pollue plus qu’une voiture particulière transportant ceux-ci.

Dans les périphéries des villes, en grande banlieue – l’habitat est dispersé et un réseau de transports en commun est peu rentable. Il est plus intéressant d’utiliser un système mixte,  dans lequel le voyageur se rend par lui-même à la gare la plus proche, puis effectue le reste du trajet en transport en commun.

A la station d’arrivée,  il doit pouvoir trouver un moyen de transport (bus, minibus, vélo, …) pour rejoindre rapidement sa destination finale,  s’il en est encore à quelques kilomètres. D’où l’idée aujourd’hui de transformer certaines gares en grands centres multimodaux.

avion Quelles solutions pour les avions ?

Les avions consomment presque autant d’énergie par passager qu’une voiture 4.  Et pour un aller retour Paris – New York, c’est une tonne de CO2 qui est émise par passager !

Les émissions de CO2 de l’aviation représentent 2,5 % de toutes les émissions fossiles, et 12 % de celles liées au transport. La question semble donc moins cruciale que pour le transport terrestre. Mais, d’une part le trafic aérien est en forte hausse, d’autre part, l’ensemble des émissions des avions ( CO2 et autres) ont un effet double au niveau de l’effet de serre (http://elib.dlr.de/59761/1/lee.pdf)

Pour limiter l’impact de l’aviation sur le climat,  les améliorations sur les moteurs et les avions seront essentielles.  Mais développer des solutions  pour remplacer à terme les combustibles fossiles va être nécessaire : les agro-carburants liquides et l’électrification ( batteries ou piles à combustible à l’hydrogène) sont les deux options les plus prometteuses .

Les agrocarburants de seconde génération ont déjà été testés sur des avions.  C’est la solution la plus simple, mais elle n’empêche pas une augmentation de l’effet de serre, car  l’ajout de CO2 en altitude a un impact plus important. L’avantage des réacteurs à hydrogène est de ne pas polluer du tout si l’hydrogène est produit par électrolyse utilisant de l’électricité produite sans émission de CO2 ou dans le futur, il est produit par des microorganismes de façon durable. Le problème qui limite  l’utilisation de l’hydrogène dans les transports est celle du poids des réservoirs (voir plus loin).

bateau Le transport de marchandises

Par km parcouru,  les trains, les porte-conteneurs, les péniches et les semi-remorques sont les modes de transport les plus efficaces du point de vue énergétique : chaque tonne transportée ne coûte que  quelques grammes de pétrole (entre  5 et 20 grammes). Les camionnettes et les avions consomment plus de 10 fois plus. Les trajets effectués en voiture personnelle consomment encore plus : environ de 3 à 5  kg de pétrole par km et par tonne de marchandises transportée. ( Voir la consommation des différents moyens de transport de marchandises)

Par exemple, pour livrer des marchandises (des tomates, des boissons, du riz, etc.), dans un magasin à 500 km du lieu de production, il faut 10 kg de gazole par tonne de marchandise voyageant dans un gros camion bien rempli de 30 tonnes (soit 300 kg de gazole  pour le moteur du camion) . Si  cette marchandise est achetée par 3 000 personnes (10 kg de marchandises chacune), devant faire 10 km en voiture aller-retour pour s’approvisionner au magasin, ces petits  trajets cumulés consomment en tout 1 500 kg de pétrole. Au niveau du transport, finalement, cette étape liée au consommateur est tout sauf négligeable dans le cycle de vie de l’objet. C’est le problème des centres commerciaux  qui ne sont accessibles qu’en voiture, loin des zones d’habitation. Ils ont été conçus quand on n’avait pas bien pris conscience des inconvénients des combustibles fossiles : on a laissé les zones commerciales s’installer à la périphérie des villes, et les villes s’étaler. Pour favoriser les économies d’énergie, des systèmes de livraison aux particuliers ou un retour au commerce local pourraient voir le jour, sous contrainte de présenter un coût peu élevé pour le consommateur.

ferroutage Et le ferroutage ?

Les émissions de CO2 sont de l’ordre de 100 fois plus faibles que celles d’un camion.

Le ferroutage, c’est à dire le transport associant le rail – sur les longues distances – et la route – sur les petites distances au départ et à l’arrivée – est intéressant en termes énergétiques et de pollution. Bien développé en Europe (il est en particulier très utilisé sur de longues distances entre l’Allemagne du Nord et les pays du Sud) ce mode de transport a du mal à s’imposer en France. En effet, 80 % du transport de marchandises en France se fait par la route et le rail ne contribue qu’à la hauteur de 12 %.

En 2007 une liaison quotidienne entre Perpignan et le Nord de la France a été mise en place. Cette liaison permet de transporter 30 000 remorques par an, soit environ 10% du trafic allant de la frontière Espagnole au Luxembourg. Elle réduit le coût du transport d’environ 10 % ainsi que la durée du trajet (14h30 au lieu de 17 à 22 heures). L’objectif est d’atteindre 300 000 camions par an à l’horizon 2012-2014 avec une dizaine de trajets quotidiens.

routes Routes, ponts et infrastructures

Routes, ponts, voies ferrées,  bâtiments … leur construction demande de l’énergie  et des ressources.

L’essentiel du bitume utilisé en France l’est sur les routes et les 2/3 des bétons sont destinés aux bâtiments et ouvrages d’art. La construction des infrastructures consommera-t-elle moins d’énergie dans le futur ? Il s’agit de diminuer les ressources nécessaires à leur construction, et surtout d’allonger leur durée de vie.

Par exemple,  un pont actuel a une durée de vie d’environ 100 ans. Au bout de 100 ans il faut pouvoir le modifier ou le détruire pour en construire un nouveau. A ce moment on est face à un casse-tête car la démolition n’a pas été prévue au départ, et  l’opération coûte très cher. Certes, les vieux matériaux de construction peuvent  être valorisés. Mais surtout, on réaliserait une économie importante  si l’on prévoyait  comment déconstruire les ouvrages d’art au moment de leur construction.

batterie Les batteries  du futur.

Les batteries stockent l’énergie sous forme chimique et la rendent sous forme électrique. Il s’agit de faire des batteries plus respectueuses de l’environnement.

Une voiture devant rouler entre 150 et 200 km a besoin d’au moins 30 kWh d’énergie utile. Environ 200 kg de nouvelles batteries (batteries au lithium) peuvent stocker cette énergie, avec une durée de vie autour de 100 000 km. Les batteries au Plomb par contre représentent une masse bien trop importante pour être utilisées ainsi.

Mais les  procédés actuels de production des batteries sont énergivores : la fabrication et le recyclage d’un kWh de batterie demandent environ 380 kWh, et libèrent 100 kg de CO2 !5. Pour l’avenir, il existe de nombreuses pistes de recherche : Par exemple actuellement, ce sont les électrodes des batteries qui sont les pièces les plus coûteuses en énergie à fabriquer. Il faudrait réussir  à les fabriquer en utilisant la chimie verte à partir de la biomasse : par exemple, un matériau composé de fer de phosphore et d’oxygène (FePO4) utilisé actuellement pourrait être, un jour, réalisé de façon biologique par des bactéries.

Un autre objectif qui est poursuivi dans les laboratoires de recherches aujourd’hui est de concevoir des batteries à base de végétaux. Elles utiliseraient des électrodes entièrement organiques, donc plus facilement recyclables, pour un coût faible. Peut-être verront-elles le jour dans 10 ou 20 ans ?

hydrogeneL’hydrogène dans les transports

L’hydrogène et les véhicules à pile à combustible.

Dans les véhicules à hydrogène, une pile à combustible produit de l’électricité qui est utilisée pour alimenter le moteur électrique du véhicule avec une batterie tampon.

L’avantage de l’hydrogène est que dans une « pile à combustible »6 le rendement pour fournir de l’électricité peut atteindre 50 %. En outre la pile fournit de la chaleur et de l’eau, produits par la réaction entre hydrogène et oxygène, mais pas de gaz à effet de serre ni autre polluant.

Il y a quand même quelques problèmes … le principal est que pour effectuer cette réaction entre hydrogène et oxygène, la pile a combustible utilise un « catalyseur », qui pour l’instant est en platine, un métal excessivement cher. Si toutes les voitures roulaient à l’hydrogène, elles utiliseraient presque 300 fois la production annuelle actuelle de platine …  il faudrait donc vraiment trouver d’autres matériaux catalyseurs. D’autre part, il faudrait aussi  produire l’hydrogène par électrolyse : de l’ordre de 250 à 300 TWh par an, ce qui représente 25 à 30 réacteurs nucléaires de 1 GW électrique ou 50 000 ou 60 000 éoliennes d’une puissance de 2 MW. Il faudrait aussi installer des distributeurs d’hydrogène partout sur les routes et en ville, en plus ou à la place des pompes à essence. On voit combien les investissements à réaliser sont importants.

Malgré ces difficultés, la voiture la hydrogène va-t-elle s’imposer pour remplacer l’essence ?  L’hydrogène est un gaz très léger, mais le principal problème à ce jour réside dans le réservoir ! Pour contenir de l’hydrogène sous pression il faut une bonbonne (en acier ou matériau composites) solide et  lourde de plusieurs dizaines de kg devant de plus offrir des garanties de sécurité en cas d’accident.  D’autres types de réservoirs sont envisagés dans le futur,  l’hydrogène étant stocké dans des matériaux servant en quelque sorte d' »éponges », ce qui éviterait ce défaut important. Pour l’instant ils sont encore peu adaptés aux contrainte d’une voiture. (Pour en savoir plus sur les réservoirs pour l’hydrogène, cliquer ici)

Renault-Nissan, Damler et Ford ont signé un accord début 2013 pour développer ensemble des voitures à hydrogène d’ici 20177. C’est que la pile à combustible apporte l’autonomie dont ne dispose pas le véhicule électrique équipé de batterie

s, tout en gardant les mêmes qualités (absence de pollution et limitation du bruit), un argument intéressant pour les consommateurs si le coût ne se révèle pas prohibitif.

ressources Recyclage des batteries et des matériaux

Nous entrons dans la société du recyclage.

L’utilisation de  batteries à grande échelle dans les transports implique un recyclage à grande échelle aussi du lithium, du cobalt et autres métaux utilisés dans les batteries. Des projets et des développements sont aujourd’hui en cours pour répondre à cette question.

D’ailleurs c’est l’ensemble de notre consommation qui est concernée par le recyclage : les déchets contiennent des ressources, qui ne doivent pas être gaspillées, celles-ci étant limitées sur notre Terre. C’est le principe général de l’économie circulaire.

Références Références

  1. 150 000 tonnes * 11 600 (kWh/tonne) * 365 j * 0,25  / 0,9 sous forme électrique []
  2. http://changement-climatique.ifpen.fr/dans-le-transport-faire-le-plein-d-economies []
  3. Le moteur hybride à compression http://www.lepoint.fr/auto-addict/innovations/tout-savoir-sur-l-hybrid-air-de-peugeot-et-citroen-23-01-2013-1619225_652.php []
  4. aujourd’hui un peu moins, grâce aux progrès faits sur les réacteurs []
  5. Les recherches sur  les batteries :http://www.celluleenergie.cnrs.fr/IMG/pdf/14-jean-marie_tarascon.pdf []
  6. Une présentation de Pragma industries sur les piles à combustible (cliquez ici) []
  7. voir http://www.afh2.org/fr/accord_daimler_ford_et_nissan et  le film en anglais sous titré : http://blog.alliance-renault-nissan.com/content/strategic-cooperation-between-daimler-and-renault-nissan-alliance-forms-agreement-ford-accel []

Du soleil aux carburants

sucres huiles Les carburants de première génération

Les carburants de première génération sont ceux que l’on utilise aujourd’hui mélangés aux carburants fossiles dans les moteurs de voiture.

Ces carburants sont obtenus à partir de plantes (qui sont donc renouvelables). Il s’agit d’alcool ou d’huile, qui sont de très bons combustibles,  et qui sont éventuellement un peu adaptés pour convenir aux moteurs à essence ou à gasoil (moteur diesel).

L’utilisation actuelle d’agro-carburants en France est de l’ordre  2,4 Mtep, environ 5 % de la consommation de carburant.  Il est question de doubler cette quantité en 2020 de façon à réduire les  émissions de gaz à effet de serre et la facture pétrolière.

Leur avantage est de diminuer la quantité de carburants fossiles consommés, et l’accroissement de l’effet de serre, mais dans des proportions qui sont incertaines très discutées, en particulier parce que pour leur production se sert d’énergie fossile.  Ce qui est certain en revanche est  que leur production utilise des surfaces agricoles. C’est un inconvénient majeur, car en augmenter la production en Europe ne pourrait se faire qu’au détriment  de l’alimentation.  Pour ces raisons, ces carburants de première génération ont un avenir limité.

sucres l’agro-éthanol de 1 ère génération

L’agro-éthanol est souvent appelé  « bioéthanol », mais il n’a pas le label « bio » de la culture biologique. Il est obtenu par fermentation du saccharose ou de l’amidon contenu dans certaines plantes à fort rendement comme la betterave sucrière ou la canne à sucre (qui contiennent du saccharose),  le blé ou les pommes de terre (qui contiennent de l’amidon que l’on peut transformer en glucose1 ). A partir de saccharose ou de glucose, les levures fabriquent l’alcool (c’est la fermentation alcoolique bien connue). Chaque kilogramme de sucre fournit environ 0,5 kg d’alcool. Comme les levures ne peuvent pas fournir plus de 17°C d’alcool, il faut procéder à la distillation de l’alcool obtenu pour qu’il soit pur. La distillation est effectuée en chauffant, ce qui utilise du combustible et fait baisser le rendement énergétique.

On peut utiliser 5 % d’alcool pur mélangé à l’essence, au delà cela pose des problèmes, ou 15% d’ETBE, un dérivé de l’alcool2, sans avoir à modifier les moteurs.

En France la betterave à sucre  peut fournir 12 000 litres d’alcool par hectare de champ de betteraves3. Il faudrait donc convertir à cette culture environ la moitié des terres cultivées  pour produire 50 Mtep de carburants utilisés en France, ce qui est impossible et qui poserait des problèmes d’alimentation. Pour le blé cela serait pire, car le rendement est au moins deux fois inférieur. Mais au Brésil, grâce au climat et aux surfaces disponibles,  la canne fournit de  l’éthanol à un coût faible de 0,15 € par litre, et on peut rouler à 100 % éthanol, parce que les moteurs sont conçus pour.

huiles L’agrodiesel à base d’huile végétale,

Certaines plantes comme le tournesol, le soja,  le palmier à huile contiennent de l’huile. L’huile est un combustible, et peut être utilisée telle quelle, avec ses défauts, ou légèrement  transformée pour en faire un carburant parfaitement compatible avec les moteurs Diesel.

Le moteur Diesel était conçu à l’origine pour fonctionner avec de l’huile d’origine végétale. Mais il a été adapté à l’huile issue du pétrole (gasoil) et l’huile végétale ne convient plus aussi bien.  Pour utiliser l’huile végétale à la place du gasoil, il faut soit transformer les moteurs, soit transformer légèrement  l’huile en la faisant réagir avec 10 % d’alcool pur, pour obtenir de l’EMVH, appelé souvent « biodiesel »4 . L’EMVH obtenu peut être utilisé dans les moteurs Diesel modernes, exactement comme le gasoil. Actuellement, le gasoil contient 7 % d’EMVH.

Les plantes qui contiennent les plus fortes concentrations de lipides à l’hectare sont le colza et le tournesol,  et surtout le palmier à huile. Les huiles de récupération comme l’huile de friture des restaurants, bien filtrées peuvent être utilisées. En France, le colza produit environ 1 300 litres d’huile à l’hectare.

On voit que le rendement à l’hectare est bien moins bon que celui d’éthanol. Il faudrait donc plus du double des surfaces cultivées pour produire 50 Mtep de diesel.

avantages - inconvénients Avantages  et inconvénients

L’éthanol, l’ETBE et l’agrodiesel contiennent un peu moins d’énergie par litre que l’essence ou le gazoil. Mais ils devraient permettre de diminuer les importations de pétrole et d’éviter des rejets de CO2 participant à l’effet de serre. De plus, l’ETBE et l’agrodiesel présentent quelques avantages pour l’environnement, par rapport à l’essence et au gasoil.

En réalité, pour ce qui est de la quantité d’énergie fossile évitée par l’emploi de ces agrocarburants, elle est difficile à calculer, car il faut  prendre en compte toute l’énergie  fossile  dépensée pour les produire, pour la fabrication d’engrais, la distillation, pour les moteurs des engins agricoles, et enfin pour le transport. Au final l’utilisation d’ETBE de betterave à sucre permet une réduction de seulement 20 % de consommation de carburant fossile. La réduction est plus importante pour l’éthanol (50%), et le diesel à base de colza (65 %), qui constitue la production la plus importante5.

Mais le plus gros inconvénient est bien l’utilisation de bonnes terres pour des productions de blé et autres plantes qui sont normalement utilisées pour l’alimentation. Il serait préférable d’obtenir des carburants à partir de déchets végétaux ou de plantes poussant sur des terres ne pouvant pas servir à l’agriculture. C’est l’objet de la seconde génération d’agro-carburants

résidus_vegetaux Carburants de 2ème génération

Le but de cette 2ème génération est de produire des carburants à partir de ressources végétales, qui n’entrent pas en compétition avec les cultures alimentaires.

ce_sera_du_durable

Une seconde génération de carburants est en développement, qui sont moins simples à produire, mais ne créent pas de conflit d’utilisation du sol. Pour cela, il s’agit d’utiliser toutes les parties non comestibles des plantes : résidus de bois, tiges, paille … Celles-ci sont constituées de longues  molécules qui ne fermentent pas avant d’avoir été dégradées : cellulose, d’hémicellulose, lignine.

En laboratoire,  on arrive à créer quelque litres de carburants à partir de ces déchets.  Il s’agit de créer des procédés produisant des carburants de façon industrielle. Deux voies principales permettent de produire des agrocarburants :

levures La voie biochimique pour l’éthanol, le diesel, le kérosène

Il s’agit de  transformer la cellulose et les hémicelluloses de la biomasse en éthanol. Le troisième composant de la biomasse, la lignine, est utilisé pour fournir de l’énergie au procédé en brulant.

800px-workertermite1La cellulose et l’hémicellulose  sont de longues molécules que certaines enzymes arrivent à découper en sucres simples. Ensuite ceux-ci peuvent être transformés par d’autres enzymes pour former de l’alcool ou du gasoil. Ces enzymes peuvent être trouvées dans les bactéries du tube digestif des termites, ou chez certains champignons qui dégradent le bois. Il s’agit de les faire travailler le mieux possible et d’optimiser la production d’éthanol ou agrodiesel à l’aide de bactéries et levures6

La Commission européenne et l’industrie se sont fixé pour objectif de produire deux millions de tonnes d’agrokérosène d’ici à 2020, soit entre 3 % et 3,5 % de la consommation annuelle de kérosène en Europe. Parmi les travaux en cours, le projet Probio3, à  Toulouse (au laboratoire LISBP), développe une nouvelle technique pour parvenir à fabriquer du kérosène en une seule étape à partir de déchets de bois.

Diesel par voie thermochimique

630px-holzvergasungPar voie thermochimique,  la biomasse est d’abord portée à haute température (au dessus de 400 °C), sans qu’elle puisse brûler (c’est la « pyrolyse »). Se forment alors de l’oxyde de carbone  (CO) et de l’hydrogène (H2). En  mettant ces deux gaz en présence de nickel, ils réagissent ensemble et forment du méthane (CH4) et de l’eau (H2O). En présence de fer, ils forment des hydrocarbures, essence et gasoil. Ce procédé s’appelle le procédé Fischer-Tropsch, il permet de former des carburants liquides ou gazeux à partir de charbon ou biomasse pyrolisée. On produit plutôt du gasoil par cette voie.

Utilisation de nouvelles cultures

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Une autre voie pour la deuxième génération est l’utilisation de plantes non alimentaires et peu exigeantes en travail, en engrais, qui peuvent pousser avec de bons rendements sur des terres pauvres  non utilisables pour des cultures l’alimentaires. Par exemple le miscanthus géant, le switchgrass, la canne de Provence, dont les rendements peuvent atteindre 12 à 25 tonnes de matière sèche à l’hectare.

D’autres plantes pourrait être utilisées dans les contrées arides comme le Jatropha, un arbuste qui peut donner 5 kg de fruits par an, desquels on tire une huile non comestible. Il se contente de sols impropres à la plupart des cultures, et vit en zone aride. Néanmoins il a besoin d’eau, une denrée rare dans ces zones. Il pourrait donner entre 500 et 1000 litres à l’hectare, sans effort ni pesticide.

micro_algues la troisième génération

Les micro-algues et cyanobactéries qui constituent le phytoplancton servent de base alimentaire aux mollusques et à de nombreux poissons. Ce sont de minuscules organismes qui constituent les meilleurs capteurs solaires au monde. Ils utilisent le dioxyde de carbone et les minéraux environnant pour leur croissance qui peut être très rapide :  au bout de quelque jours on peut en faire la récolte.

microalgue1Le nombre d’espèces de micro-algues connues est l’ordre de 20 000. Leur taille peut être inférieure au millième de millimètre, et elles se font très discrètes dans l’eau. Elles sont encore à découvrir : le nombre total d’espèces est probablement supérieur à un million. A titre de comparaison, le nombre d’espèces végétales non aquatiques  connues est de l’ordre de 300 000.

Certaines sont  connues depuis longtemps, comme la spiruline, archeo-spiruline une cyanobactérie  utilisée dans l’alimentation depuisarcheo-microcyste l’antiquité. D’autres sont très visibles quand elles se mettent à envahir une rivière. Elles intéressent aussi les industriels pour leur forte rentabilité dans certains domaines : pour les cosmétiques par exemple, ou l’alimentation. Un kilogramme de certaines de ces micro-algues coûtent plus de 500 euros ! Produire ces micro-algues microalgue Haematococcus, est une activité délicate, car elles sont très fragiles,  et qui revient assez cher, mais qui est très rentable7

D’autres variétés de micro-algues peuvent produire des lipides, et en particulier des lipides pouvant servir à faire des carburants8.

Dans certains cas, la proportion de ces lipides atteint plus de 60 % Closterium,du poids sec, dont 90 % sont utilisables pour des carburants. Pour la production de carburants, la difficulté est qu’il faut parvenir à produire non pas quelques kilogrammes, mais des millions de tonnes de micro-algues, et à baisser les coûts de productions pour atteindre non pas 5 000 euros le kg, mais moins de 0,5 euros le kg !

On comprend que les micro-algues représentent peut-être la solution d’avenir pour produire des carburants durables qui résoudraient le problème des transports. Mais il y a encore plusieurs années de recherches avant d’y parvenir, peut être 10 ou 20  ans ?

microalgue1 La culture des micro-algues

troisieme_generation

La particularité des micro-algues est que leur croissance est très liée à la lumière. Outre la lumière elles n’ont besoin que de CO2 et de minéraux pour grandir. Leur croissance intervient en quelques jours. Certaines peuvent aussi croître dans des milieux extrêmes, très salés par exemple. Les rendements que l’on peut attendre à l’hectare sont bien supérieurs à ceux de plantes en plein champ.

L’idée est de cultiver ces microorganismes en grande quantité. Le plus simple est utiliser  des bassins extérieurs pouvant occuper de grandes surfaces  L’autre solution est de les produire de façon très industrielle, dans des bioréacteurs exposés à la lumière d’une façon très étudiée et contrôlée. Mais la culture de mbassin-microalguesmicro-algues n’est pas facile. Avant de passer à de grandes quantités il est utile de mener des expériences sur de petites quantités de matière, pour minimiser les volumes manipulés, les coûts, et multiplier les expériences : car contrairement à ce que l’on pourrait penser, le maximum de production de lipide ne correspond pas au maximum de développement de l’algue. Il y a un  optimum de production pour certaines conditions de lumière, de concentration en CO2 dissous dans l’eau, d’apports de restriction d’azote, de phosphore au autres minéraux (Lire l’article ici pour en savoir plus)

Plusieurs géométries de réacteurs peuvent être testées. Vaut-il mieux adopter une culture en couches minces d’algues bien éclairées par la soleil,  ou des couches plus épaisses illuminées de l’intérieur reacteurpar des micro fibres contrôlant les apports de lumière ? Quelle est l’influence de la température ? Quel est le système de récolte le plus simple, le plus rentable ?

Les résultats des expérimentations à travers le monde montrent que les bassins ouverts en plein champ sont les plus simples et plus avantageux car ils utilisent la lumière du Soleil, mais ils peuvent être facilement contaminés par des organismes indésirables. Les réacteurs sont plus chers, mais les paramètres de croissance peuvent être  plus facilement  contrôlés,  et peuvent avoir des rendements supérieurs.

rendement_plantesles rendements

En termes de rendements à l’hectare, on peut donner les fourchettes suivantes :

rendement_plantes

  • Première génération : 1 à 4 Mtep/ha/an. Stade : industriel
  • Deuxième génération 3,5 à 5 Mtep/ha/an. Stade : vers une industrialisation à court terme
  • Troisième génération : 15 à 40 tep/ha/an. Stade : recherche

Pour le bilan en termes de CO2 (les plantes absorbent du CO2 en poussant mais les procédés de fabrication du carburant en émettent si ils utilisent des combustibles fossiles),  la première génération a peut être un bilan positif mais pas extraordinaire. Il est meilleur pour la deuxième génération et à priori excellent pour la troisième.

Références

  1. l’amidon est un polymère de glucose, déshydraté, qui forme du glucose par hydratation – hydrolyse. Celle-ci est facilitée par un catalyseur chimique ou enzymatique []
  2. l’ETBE est obtenu en mélangeant autant de molécules d’alcool que de molécules d’isobutène, issu du pétrole. La réaction ne produit que de l’ETBE, qui peut être mélangé à l’essence, et de la chaleur []
  3. La betterave en France http://www.labetterave.com/la_filiere_betteraviere/chiffres_cles/chiffres_cles_france/87/index.html : 370 000 hectares ensemencés soit 2,1 %  de la Surface Agricole Utile, avec un rendement de 9,6 t /ha produisent 12 100 l/ha d’éthanol, soit 6,6 tep / ha []
  4. Le processus s’appelle la « transestérification » : 1 tonne d’huile ajouté à 0,1 tonne d’alcool, donne 1 tonne de diesther: EMVH, qui est très proche du gasoil, et 0,1 tonne de glycérine []
  5. http://www2.ademe.fr/servlet/getDoc?sort=-1&cid=96&m=3&id=70535&ref=&nocache=yes&p1=111 []
  6. voir par exemple les vidéos, en anglais sur  le site du laboratoire Keasling, à Berkley, Californie :http://keaslinglab.lbl.gov/media.html utilisant la bactérie Escherichia Coli []
  7. voir la video http://www.sparknews.com/fr/video/microphyt-algues-les-carburants-3eme-generation. sur les micro-algues de la société Microphyt basée à Montpellier http://www.microphyt.eu/technologies/la-rupture []
  8. Les lipides constituent la matière grasse des êtres vivants. Un lipide est une molécule :

    • soit complètement « apolaire » (lipide neutre) ;
    • soit « bipolaire », molécule amphiphile (ou amphipathique), avec une tête polaire liée à une chaîne fortement apolaire (queue).

    Seuls les lipides neutres peuvent être utilisés comme carburants. Ils ne constituent qu’une portion de l’ensemble des lipides extraits de nos micro-algues []