Biocarburants

1. Biocarburants Thierry MELKIOR CEA Etat des lieuxZoom sur la voie thermochimique

2. Pourquoi les biocarburants ?

3. Contexte énergétique mondial

4. Contexte énergétique

5. Contexte énergétique Effet de serre (CO2) Ressources fossiles Demande en énergie (carburants)

6. Le défi énergétique : quelles solutions ? • Limiter la consommation énergétique • Augmenter la part des énergies renouvelables D’après les objectifs fixés dans l’Union Européenne

7. Les filières de biocarburants

8. 1ere génération …Les agrocarburants

9. 1ere génération Aujourd’hui : réalité industrielle Incroporation dans essence (éthanol jusqu’à 7%, ETBE jusqu’à 15%), SP95-E10 Biodiesel : incorporation de diester jusqu’à 7% dans le gazole Usine d’éthanol de ble Roquette a Beinheim, Alsace Usine de production de diester du Meriot, Aube (Prolea)

10. 1ere génération

11. 2eme génération Aujourd’hui : stade de développement de pilotes Il reste quelques points techniques à résoudre Intégration énergétique : réduire les coûts de production

12. 3eme génération Aujourd’hui : Semble très prometteur Etudes de laboratoire (biologie, génie chimique) Evaluations technico-économiques

13. La biomasse

14. La biomasse Biomasse humide Biomasse sèche ou lignocellulosique Bois (bûches, granulés, plaquettes…) Produits de l’agriculture traditionnelle (betterave, canne à sucre) Sous-produits du bois (branches, écorces, sciures, palettes…) Produits de l’agriculture traditionnelle (céréales, oléagineux) Résidus agricoles (pailles…) Sous-produits de l’industrie (boues issues de la pâte à papier, pulpes de raisin…) Plantations énergétiques (miscanthus, peuplier…) Déchets organiques (boues d’épuration, ordures ménagères, fumier…) Biomasse algale Microalgues

15. Propriétés physico-chimiques biomasse lignocellulosique Valeurs moyennes d’après étude CEA réalisée sur 80 échantillons issus du Nord-Est de la France (2007-2008) • Densité très faible surtout pour résidus agricoles • Teneur en eau variable (durée de séchage, période de récolte) • Cendres : faible pour bois / + élevé pour résidus agricoles • Matières volatiles : Presque toute la masse • C6H9O4 (*) moyenne : conductivité 2 fois plus élevée le long des fibres (**) d’après la littérature

16. Le potentiel de biomasse lignocellulosique en France • Seules les ressources non valorisées à ce jour sont comptées ici ! Ce qui pourrait représenter jusqu’à : • Environ 10% de la consommation française d’énergie primaire • Environ 40% de la consommation française de carburant

17. Zoom sur la voie thermochimique

18. La gazéification : étapes du procédé

19. Gazéification (biomasse sèche) Chaleur, électricité Biomasse Moteur turbine à gaz cycle combiné Post-traitement Prétraitement Gazéification Synthèse Carburant liquide (Diesel Fischer-Tropsch, méthanol) Carburant gazeux (SNG) Carburant gazeux (H2PAC)

20. Gazéification (biomasse sèche) Biomasse Post-traitement Prétraitement Gazéification Synthèse

21. Le prétraitement • Matière première : • Plaquettes forestières • Paille ou autres produits agricoles : fagots ou en vrac • Séchage humidité visée : 15-20 % • Broyage granulométrie visée : fonction du réacteur de gazéification • Lit fluidisé : 1-50 mm • Flux entraîné : 100-300 µm • décomposition thermique sous gaz neutre

22. Gazéification (biomasse sèche) Biomasse Post-traitement Prétraitement Gazéification Synthèse

23. La gazéification Biomasse C6H9O4 Humidité : 15-20% Séchage Biomasse C6H9O4 Humidité : 0% T=100-200°C Très rapide • Matières volatiles : • Goudrons • Gaz (H2, CO, CO2, CH4, H2O) Résidu solide ( surtout C) Pyrolyse Gazéification + H2O T=800-1500°C H2, CO Très lent + O2 + composés inorganiques : H2S, SO2, NH3, HCN, HCl, HF, KCl… + particules + suies Combustion CO, CO2 Lent

24. Réacteur à lit fluidisé Avantages : Technologies variées et matures pour la biomasse : échelle industrielle atteinte pour les applications cogénération Particules « grosses » (cm) : préparation et injection simples Inconvénients des LF : Températures de gazéification <1000°C => Gaz contenant encore CH4, CO2, Gaz chargé en goudrons Fonctionnement en pression pas toujours possible ( selon techno) Pb d’agglomération de lit pour certaines biomasses Pas adapté pour les tailles importantes

25. Réacteurs à flux entrainé Avantages du RFE : Haute température (1300°C)=> équilibre thermodynamique • Gaz presque exclusivement CO + H2, Craquage des goudrons Fonctionnement en Pression (20-80 bars) Cendres fondues et récupérées dans la zone de trempe Adapté pour les installations centralisées ( grande taille : 500 MWth et +) Inconvénients du RFE : Injection de liquide, de slurry ou de poudre (300µm) => préparation : Broyage fin (coûteux)/Pyrolyse (huile )/Torrefaction + Broyage Pas adapté pour installations décentralisées ( petites et moyennes tailles < 100 MWth)

26. Gazéification (biomasse sèche) Biomasse Post-traitement Prétraitement Gazéification Synthèse

27. Le post-traitement + 2 H C H O O => 6 CO + 6,5 H 6 9 4 2 2 Gaz issu de la gazéification : H2, CO (H2/CO=1) + impuretés Nettoyage des impuretés selon les spécifications du post-traitement Ajustement du rapport H2/CO  2 (Fischer-Tropsch, méthanol)  3 (méthanation)

28. Le post-traitement : nettoyage des impuretés Les étapes en aval (synthèse) imposent l’élimination + ou – poussée : • Des particules et aérosols • Des goudrons • Eventuellement du CH4 et des hydrocarbures légers • Des composés inorganiques : H2S, SO2, NH3, HCN, HCl, HF, KCl… Cyclones, filtres Destruction haute Tre, catalyse, laveur Filtre, laveur Installations industrielles encrassées par la condensation de goudrons (photos ECN).

29. Le post-traitement : ajustement ratio H2/CO => CnH2n(+2) + nH2O n C O + 2n H C H O + 2 H O => 6 CO + 6,5 H 2 6 9 4 2 2 1ère solution : water gas shift On enlève du CO (6  4,5) pour créer H2 (6  9) 1,5 CO + 3 H2O => 1,5 CO2 + 3 H2 On perd 25% du carbone en CO2 On garde nos 6 CO… et on ajoute 6 H2 2ème solution : hydrogène On garde tout le carbone dans le carburant !

30. Gazéification (biomasse sèche) Biomasse Post-traitement Prétraitement Gazéification Synthèse

31. Carburants de synthèse A partir d’un gaz CO + H2 on peut synthétiser : • Méthanol (0,79 ton/m3 ; PCI = 19,8 MJ/kg) • Ethanol (0,79 ton/m3 ; PCI = 29,7 MJ/kg) • DiMéthylEther (0,67 ton/m3 ; PCI = 28.4 MJ/kg) • Diesel Fischer-Tropsch (0,78 ton/m3 ; PCI = 44 MJ/kg) • méthane (gaz) via une unité de méthanation (besoin de H2/CO =3) Le diesel Fischer-Tropsch est intéressant car directement utilisable dans les moteurs actuels Synthèse Fischer-Tropsch • Procédé ancien (années 30) • Chaînes CnH2n à partir de CO et H2 • H2/CO=2 ; T = 250 °C ; P = 25 bars • Sous-produits : eau et chaleur basse T • 3 usines dans le monde off gas C1-C4 pertes Naphta C5-C9 Diesel – kérosène C10 – C20

32. Situation et acteurs de la gazéification

33. Gazéification : situation actuelle • Technologie ancienne appliquée à l’échelle industrielle au charbon • Utilisation grande échelle : périodes de pénurie de pétrole • Allemagne : 2ème guerre mondiale • Afrique du Sud : Apartheid • Applications multiples de maturité différente • Majorité des installations : production électricité et chaleur • Industrialisation à court-terme (2015-2020) : BtL, DME, SNG • A moyen-long terme (2030?) : H2

34. Les verrous actuels de la gazéification • Etapes individuelles maîtrisées dans le cas du charbon (ou gaz naturel) • Verrous énergétiques : rendement global du procédé • efficacité des différentes étapes • Intégration énergétique des étapes dans le procédé • Éviter les montées et descentes de T et P Ex : faire la gazéification à la même pression que la synthèse • Verrous technologiques : • Choix du réacteur optimal / application • Résolution des problèmes associés • Injection de biomasses sous forme pulvérisée • Corrosion des installations… • Application aux biomasses • Intégration dans le procédé

35. Acteurs de la gazéification • Europe : leader mondial • Autres pays impliqués : • USA, Chine : surtout orientés charbon • Brésil… • Allemagne : leader européen • Autres pays en pointe : Pays-Bas, Pays nordiques (Suède, Finlande) • France : en retard…mais volonté récente d’implication + forte • Rejoint les pays en pointe • Intérêt récent de nombreux pays : Espagne, Italie, Portugal, Grèce… Centrale FT Güssing, Autriche

36. Principaux acteurs en Europe Centre de recherche • Plusieurs grands centres de recherche appliquée + universités • Soutien aux unités pilotes Varkaus Pitea Unité pilote VTT + universités ECN Güssing CHOREN BioTfueL IEC Freiberg Bioliq Bure KIT CEA, CIRAD, CNRS,… Güssing Varkaus CHOREN Gaya TUVienna CENER, CIEMAT

37. Principaux projets pilotes en Europe Ressources Energéticien Papetier • Intérêt fort pour les carburants liquides et gazeux • Industriels de domaines différents Pétrolier Motoriste Chimiste

38. Les principaux acteurs du domaine en France • De nombreux acteurs… …Mais une communauté restreinte • Rôle des régions (Pôles de compétitivité) • Centre • Champagne-Ardennes • Languedoc-Roussillon • Lorraine • PACA • Rhône-Alpes… EdF Renault INRA Véolia Total GIE-Arvalis ONIDOL GdF-Suez UTC Air Liquide CEMAGREF AXENS CNRS Nancy CNRS Orléans ONF Sofiproteol UCFF IFP FCBA CEA Europlasma LGC CIRAD Ressources Procédés R&D Industriels EMAC

39. Bilan économique,énergétique & environnemental

40. Les Rendements pour la gazéification de biomasse et synthèse FT Source : Les biocarburants, D. BallerinieditionTechnip 2011 • Le procédé optimal dépend de l’objectif : • Maximiser rendement masse  diminution rendement énergie • Fonctionner sans apport d’énergie externe  diminution rendement masse

41. Bilan économique Les coûts de production de la 2G restent encore peu attractifs. Source : “Biofuels: is the cure worse than the disease?”, Round table on sustainable development, OECD, 2007

42. Carburants et gaz à effet de serre (GES) Source : “Well-To-Wheel analysis of future automotive fuels and powertrains in the European context, WTW report, 2007 2G 1G 2G 1G CO2 émis (g/km) Carburants 1G et 2G : gain significatif sur les émissions GES Gain carburants 2G >> gain carburants 1G

43. Biocarburants 2G : les dangers Mauvaises pratiques forestières Coupe « à blanc » avec extraction de toute la biomasse, Nouvelle Ecosse, Canada. (source Greenpeace)

44. Biocarburants 2G : les dangers • Le « desertoverde » au Brésil

45. Eucalyptus forest for papermanufacturingatAracruzCelulose in Barra do Riacho, BrazilPhotograph: Paulo Fridman/Corbis

46. Merci de votre attention

47. La biomasse sèche : inventaire du potentiel français Seules les ressources non valorisées à ce jour sont comptées ici ! • 8% de la consommation française d’énergie primaire • 40% de la consommation française de carburant 20 Mtep : (1) X. DEGLISE, J. LEDE, Entropie n° 94 (1980) (2) R. DUMON (3) Débat énergie et environnement SOUVIRON (1994) (4) Rapport CEE (octobre 1998) (5) Rapport Biomasse et Énergie (Haut Commissaire 2001) Même en potentiel : pas de substitution à 100%

48. Contexte énergétique - France Transport Routier : dépend à 95% des énergies fossiles Biocarburants : 1% de la consommation totale de carburants Consommation d’énergie secteur des transports : ~30 % de la consommation totale

49. Les Enjeux du Secteur des Transports Environnement • Réduction des émissions de gaz à effet de serre • Réduction d'autres polluants locaux rejetés par l’Automobile Politique • Réduction de la dépendance énergétique vis-à-vis du Pétrole • Sécurité d’approvisionnement Environnement • Préservation de l’environnement Ressources • Gisements importants, diversifiés et équitablement répartis • Valorisation complémentaire de ressources agricoles, forestières… Social • Aménagement du Territoire • Création d’emplois dans les pays producteurs

50. Les propriétés physico-chimiques de la biomasse Valeurs moyennes d’après étude CEA réalisée sur 80 échantillons issus du Nord-Est de la France (2007-2008) • Densité très faible surtout pour résidus agricoles • Humidité variable (durée de séchage, période de récolte) • Cendres : faible pour bois / + élevé pour résidus agricoles Principalement formées de CaO (bois) /SiO2 et K2O (agricoles) • Matières volatiles : Presque toute la masse • C6H9O4 • Présence de N et S • Présence de Cl surtout dans résidus agricoles • Présence de ppm de F et autres éléments (Si, Ca, K, Pb, Cr, Cu, Ni, Zn, B, Fe, Al, Mg, P, Mn…) • PCI : Pouvoir Calorifique Inférieur Environ la moitié du PCI gazole (42,6 MJ.kg-1) Gaz émis lors de la décomposition thermique Quantité d’énergie dégagée par la combustion de 1 kg de biomasse, l’eau étant à l’état vapeur • Matériau mauvais conducteur de la chaleur • Tfusion des cendres variable liée à leur composition (*) moyenne : conductivité 2 fois plus élevée le long des fibres (**) d’après la littérature