Les biocarburants, une contribution à la diversification énergétique et à la réduction des gaz à effet de serre

Jusque dans les années 50, les carburants d'origine végétale - encore appelés biocarburants - représentaient une part non négligeable de la consommation avant de devenir très marginale en raison de leur faible compétitivité économique face aux carburants d'origine fossile. Depuis une vingtaine d'années, il existe un regain d'intérêt certain pour les biocarburants principalement pour des raisons d'indépendance énergétique vis à vis du pétrole et pour résoudre les problèmes de pollution urbaine.

Les biocarburants demeurent toujours pénalisés par un coût de production élevé. Mais leur avenir reste prometteur dans un contexte marqué par une volonté de réduire la consommation de pétrole et les rejets de gaz à effet de serre, particulièrement dans le secteur des transports. La Communauté Européenne a d'ailleurs proposé en 2003, qu'aux horizons 2005 et 2010, les biocarburants puissent contribuer respectivement pour 2% puis 5,75% à l'approvisionnement énergétique des transports terrestres, contre 0,5% consommés actuellement.

Outre leur contribution à l'indépendance énergétique, l'utilisation des biocarburants permet d'envisager une réduction des émissions de gaz à effet de serre de 15 à 70% (réduction rapportée à la quantité de biocarburant) ; l'estimation de la réduction est différente selon les études et dépend des matières premières employées, des biocarburants considérés et de leur taux d'incorporation. Un autre atout des biocarburants est la possibilité de les utiliser en mélange sans nécessité de développer un réseau de distribution spécifique, ce qui constitue un avantage important par rapport à d'autres carburants alternatifs comme le GPL ou le GNV dont le développement passe nécessairement par la mise en place d'un réseau spécifique de distribution et l'adaptation des véhicules.

Face au doublement prévu de la consommation de carburants dans les transports entre 2000 et 2030 - soit une augmentation substantielle de gaz à effet de serre - le développement des biocarburants constitue donc un enjeu important. Il reste pourtant quelques obstacles : le coût des biocarburants demeure, en Europe, beaucoup plus élevé que celui des carburants fossiles et leur impact environnemental reste limité car ils ne sont, pour l'instant, utilisés qu'à faible teneur. De plus, la production de quantités suffisantes pour répondre aux objectifs de consommation imposés en Europe en 2010 constitue un réel défi.

Depuis plus de 20 ans, l'IFP conduit des travaux de R&D tant sur le développement de procédés de production de biocarburants que sur l'étude de l'impact de leur utilisation dans les moteurs et apporte aujourd'hui une compétence scientifique reconnue et des solutions innovantes. Ces travaux visent, en particulier, à diminuer les coûts de production des biocarburants, à diversifier les sources permettant de les produire (utilisation de matière première lignocellulosique : bois, paille…), et, enfin, à développer des voies de transformation permettant de produire des composants pour gazole à partir d'éthanol.

La filière éthanol

Le biocarburant le plus utilisé dans le monde est, et de très loin, l'éthanol, un alcool liquide produit à partir de la fermentation de sucres (betteraves, cannes à sucre, etc.) ou d'amidon (blé, maïs, etc.) après hydrolyse. Ses caractéristiques intrinsèques le dédient aux moteurs à essence. Il est surtout utilisé au Brésil et aux Etats-Unis où il est mélangé à l'essence respectivement à hauteur de 25% et 10% ou encore utilisé pur. En Europe, l'incorporation directe de l'éthanol dans l'essence n'est autorisée qu'à hauteur de 5%. Le plus souvent, notamment en France, l'éthanol est incorporé à l'essence après transformation en ETBE (Ethyl tertio butyl éther) dont l'IFP a notamment développé un procédé de production. L'ETBE peut être incorporé jusqu'à hauteur de 15% et a l'avantage d'être mieux adapté aux moteurs. En effet, l'incorporation directe de l'éthanol pose certaines difficultés techniques : le mélange essence/éthanol a une pression de vapeur accrue et tolère mal la présence de traces d'eau (problème de séparation des phases essence et éthanol critique lors du stockage en cuve). Il reste que ces difficultés peuvent être surmontées par une reformulation des bases essence et par l'élimination des traces d'eau dans les cuves.
« D'ici 5 à 10 ans, l'éthanol pourrait également être produit à partir de la biomasse telle que les pailles de céréales, les tiges de maïs, les résidus de bois voire les déchets organiques comme les boues de stations d'épuration… » explique Daniel Ballerini, chef du département "Biotechnologie et chimie de la biomasse" de l'IFP. L'IFP étudie la faisabilité de cette filière lignocellulosique. L'idée fait son chemin, non seulement en France, où l'IFP mène ces recherches avec l'Institut national de recherche agronomique (INRA) et le CNRS, mais aussi dans le monde, aux Etats-Unis, en Finlande, en Suède ou aux Pays-Bas. Cette solution séduisante – une des meilleures en terme de réduction de gaz à effet de serre - et qui pourrait être plus économique que les procédés classiques a été relancée récemment.

La filière biodiesel

Les biocarburants adaptés aux moteurs diesel sont produits à partir d'huile végétale de colza ou de tournesol (Europe) et de soja (Etats-Unis). Cette huile n'est pas utilisable telle quelle dans les moteurs. Afin de la rendre parfaitement compatible, il faut la faire réagir avec du méthanol pour la transformer en « ester », un ester méthylique d'huile végétale (EMHV) plus connu, en France, sous le nom de « diester® ». Ce diesel vert présente un bilan effet de serre favorable.

« Il y a un réel consensus sur les EMHV car leur utilisation ne pose quasiment aucun problème dans les moteurs diesel » affirme Xavier Montagne, chef du département "Carburants, Lubrifiants, Emissions" de l'IFP. Sa distribution est même « banalisée » à hauteur de 5% dans les gazoles, autrement dit, la présence d'EMHV ou non à la pompe est totalement transparente pour le client. Pour conduire à un impact environnemental significatif, sur les rejets de particules notamment, il faudrait le mélanger à hauteur de 30%. Ceci n'est envisagé que pour des flottes captives véhicules spécifiques dont seules une trentaine de flottes d'autobus, véhicules urbains et flottes professionnelles sont pour l'instant autorisées à additionner de telles teneurs.

Un procédé de production de bio-diesel a été développé par l'IFP au début des années 1990 et est commercialisé, aujourd'hui, par sa filiale Axens sous le nom d'Esterfip. Ce procédé est notamment utilisé depuis 1992 par la société Sofiprotéol à Compiègne.

Par rapport à la filière éthanol, la filière bio-diesel est pénalisée par le faible rendement à l'hectare des cultures de colza. Mais les besoins en bio-diesel vont augmenter du fait de la diésélisation croissante du parc automobile européen. En 2002, les véhicules diesel représentent 40% des immatriculations en Europe et de l'ordre des deux tiers en France. Cette situation conduit d'ailleurs la France à importer environ 30% de sa consommation de gazole tandis qu'elle exporte 3 à 4 millions de tonnes d'essence chaque année. Pour faire face aux exigences des nouvelles directives européennes en 2010, il faudrait atteindre une production de 2,65 millions de tonnes d'EMHV en France soit environ deux fois plus que ce que les producteurs envisagent…

La filière bio-diesel génère également un co-produit, la glycérine (utilisé par l'industrie de la cosmétique, de la pharmacie et des savons) dont le marché est déjà saturé. Une fabrication croissante de bio-diesel et donc de glycérine impose de trouver de nouvelles valorisations à ce co-produit.

Dans ce domaine, l'IFP travaille depuis plusieurs années sur un nouveau procédé de production d'esters d'huiles. Les résultats récents obtenus s'avèrent très intéressants. Ce procédé, breveté et prêt à être commercialisé, est basé sur une réaction chimique de « catalyse hétérogène ». Il permet notamment d'obtenir directement une glycérine de bonne qualité, avec des rendements améliorés, et également de produire des esters méthyliques de soja ou de palme, solution qui pourrait intéresser les marchés américains ou asiatiques. Une unité pré-industrielle tourne depuis l'été dernier à l'IFP.

Autre intérêt : ce procédé permet de produire un "nouveau bio-diesel". En effet, en utilisant de l'éthanol à la place du méthanol dans la fabrication d'ester, les chercheurs ont produit un ester éthylique d'huile végétale (EEHV), une solution séduisante pour produire un bio-diesel 100% bio permettant d'introduire de l'éthanol dans le gazole… Néanmoins, cette voie demeure coûteuse car l'éthanol d'origine agricole est trois fois plus cher que le méthanol. Du côté des moteurs, l'EEHV a déjà été testé et apporte entière satisfaction .

Par ailleurs, l'IFP recherche des solutions pour transformer la glycérine et la rendre incorporable au pool gazole.


Les carburants de synthèse : une autre alternative

Une autre voie de recherche pourrait, à moyen terme, offrir des perspectives intéressantes : les BTL ou "Biomass to Liquid". Ces biocarburants sont obtenus en transformant, dans une première étape, la biomasse (résidus céréaliers, forestiers, déchets organiques…) en gaz par gazéification à haute température, puis, dans une deuxième étape, ce gaz en gazole, suivant le procédé dit Fischer-Tropsch. Ce dernier procédé est utilisé, par ailleurs, pour produire des carburants synthétiques à partir de gaz naturel ou de charbon. Dans tous les cas, les hydrocarbures liquides de synthèse obtenus sont d'excellente qualité. L'IFP étudie également cette voie, notamment en partenariat avec le CEA.


Les biocarburants une solution intéressante dans le paysage multi-énergies des années futures

L'objectif européen de 5,75% en 2010 apparaît réellement ambitieux. Pour espérer l'atteindre dans des conditions économiques et environnementales satisfaisantes, beaucoup de chemin reste à parcourir. Les principaux acteurs concernés en France (l'Ademe, le CEA, le CNRS, l'IFP, l'INRA, les industriels, etc…) y travaillent, afin notamment de mettre sur pied un programme national « Biocarburants », à l'image de ce qui existe aux Etats-Unis ou en Suède. Nul doute que leur part de marché sera plus importante à l'avenir. Les biocarburants feront probablement partie, aux côtés d'autres carburants comme le GPL (Gaz de pétrole liquéfié) et le GNV (Gaz naturel véhicule), ou d'autres technologies (véhicules hybrides, piles à combustibles) - sur lesquelles travaille également l'IFP -, du panorama énergétique des années futures.


Quelques chiffres…

La consommation des biocarburants représente aujourd'hui en Europe 0,5% des carburants utilisés pour le transport. La France était jusqu'en 2001 le principal producteur et consommateur de biocarburants (1% environ). Elle est désormais dépassée selon les filières par l'Espagne et l'Allemagne.
En 2002, la France a produit environ 200 000 tonnes d'ETBE à partir de 90 000 tonnes d'éthanol surtout issu de cultures de betteraves. Premier producteur jusqu'en 2001, la France est désormais devancée par l'Espagne qui a produit 176 500 tonnes d'éthanol en 2002 à partir de blé et d'orge.
En ce qui concerne la filière ester d'huile végétale, la France a produit, environ 360 000 tonnes pour 2003 dont une faible partie à été exportée vers l'Allemagne. L'Allemagne est désormais le principal producteur européen d'EMHV avec 450 000 tonnes produites en 2002 et environ 715 000 tonnes en 2003.