Biocarburants

Un biocarburant (ou agrocarburant) est un carburant produit à partir de matériaux organiques renouvelables et non-fossiles.

Cette production peut se faire à partir d’un ensemble de techniques variées : production d’huile, d’alcool par fermentation alcoolique de sucres ou d’amidon hydrolysé, carburants gazeux obtenus à partir de biomasse végétale ou animale (dihydrogène ou méthane), ou carburants solides comme le charbon de bois. Pour utiliser les biocarburants dans les moteurs, deux approches sont possibles :

• Soit on cherche à adapter le biocarburant (par transformation chimique pour obtenir du biodiesel par exemple) à des moteurs conçus pour fonctionner avec des dérivés du pétrole ; c’est la stratégie actuellement dominante mais elle n’a pas le meilleur bilan énergétique ni environnemental.

• Soit on cherche à adapter le moteur au biocarburant naturel, non transformé chimiquement. Plusieurs sociétés se sont spécialisées dans ces adaptations. La substitution peut être totale ou partielle. Le moteur Elsbett fonctionne par exemple entièrement à l’huile végétale pure. Cette stratégie permet une production locale et plus décentralisée des carburants.

Première et deuxième générations

On distingue les biocarburants de première et de seconde génération. Cette dénomination n’a pas de définition officielle, il n’est donc pas possible de définir une ligne claire.

Cette classification peut servir à séparer les carburants issus de produits alimentaires des carburants issus de source ligno-cellulosique (bois, feuilles, paille, etc.).

Une autre interprétation l’utilise pour faire la distinction entre les biocarburants produits à partir de processus techniques simples et ceux produits par des techniques avancées.

Une dernière utilisation permet de séparer les cultures agricoles à vocation générique (utilisables pour remplir des besoins alimentaires, industriels ou énergétiques), des cultures à vocation strictement énergétique.
La commission de l’Union Européenne a prévu de définir les biocarburants de seconde génération suite à l’évaluation à mi-parcours de sa politique de biocarburant . Parmi les critères qui pourraient être pris en compte on peut citer : les matières premières utilisées, les technologies utilisées ou encore la capacité à lutter contre les émissions de gaz à effet de serre.

Les filières de première génération

• Filière huile

De nombreuses espèces végétales sont oléifères comme le palmier à huile, le tournesol ou le colza. Toute extraction d’huile végétale peut être effectuée par un simple pressage à froid – écrasement, ou par voie chimique, ou une combinaison des deux méthodes. L’utilisation d’un solvant organique permet d’atteindre un niveau d’extraction de 99 % mais à un coût plus élevé. L’huile végétale brute (HVB, ou HVP) peut être utilisée directement dans les moteurs diesels adaptés (notamment à cause de sa viscosité relativement élevée). Les triglycérides qui constituent les huiles végétales peuvent également être transformés en monoesters méthyliques et en glycérol. Les molécules plus petites du biodiesel ainsi obtenues peuvent alors être utilisées comme carburant dans les moteurs à allumage par compression. Ce biodiesel ne contient pas de soufre, n’est pas toxique et est hautement biodégradable.

• Filière alcool

La fermentation éthanolique

De nombreuses espèce végétales sont cultivées pour leur sucre : c’est le cas par exemple de la canne à sucre, de la betterave sucrière, du maïs, du blé ou encore dernièrement de l’ulve.

Le bio-éthanol est obtenu par fermentation de sucres (sucres simples, amidon hydrolysé) par des levures du genre Saccharomyces. L’éthanol peut remplacer partiellement ou totalement l’essence. Une petite proportion d’éthanol peut aussi être ajoutée dans du gazole mais cette pratique est peu fréquente.

L’Ethyl-tertio-butyl-éther (ETBE) est un dérivé (un éther) de l’éthanol. Il est obtenu par réaction entre l’éthanol et l’isobutène et est utilisé comme additif à hauteur de 15 % à l’essence en remplacement du plomb.

L’isobutène est obtenu lors du raffinage du pétrole.

Le bio-butanol (ou alcool butylique) est obtenu grâce à la bactérie Gram positive anaérobique Clostridium acetobutylicum qui possède un équipement enzymatique lui permettant de transformer les sucres en butanol-1 (fermentation acétonobutylique)7,8,9,10,11. Le biobutanol présente de nombreux avantages par rapport à l’éthanol et est de plus en plus souvent évoqué comme biocarburant de substitution à l’heure du pétrole cher. Les unités de production du bioéthanol peuvent être adaptées pour produire le biobutanol.

Le méthanol (ou “alcool de bois”), obtenu à partir du méthane est aussi utilisable, en remplacement partiel (sous certaines conditions) de l’essence, comme additif dans le gasoil, ou, à terme, pour certains types de piles à combustible. Le méthanol est cependant très toxique pour l’homme.

• La filière gaz

La fermentation méthanique ou méthanisation

Le bio-méthane est le principal constituant du biogaz issu de la fermentation méthanique de matières organiques animales ou végétales riches en sucres (amidon, cellulose, plus difficilement les résidus ligneux ) par des bactéries méthanogènes qui vivent dans des milieux anaérobiques. Les principales sources sont les boues des stations d’épuration (la production rend la station au moins en partie autonome en énergie), les lisiers d’élevages, les effluents des industries agroalimentaires et les déchets ménagers. Les gaz issus de la fermentation sont composés de 65 % de méthane, 34 % de CO2 et 1 % d’autres gaz dont le sulfure d’hydrogène et le diazote. Le méthane est un biocarburant pouvant se substituer au gaz naturel. Il peut être utilisé soit dans des moteurs à allumage commandé (technologie moteurs à essence) soit dans des moteurs dits dual-fuel. Il s’agit de moteurs diesel alimentés en majorité par du méthane ou biogaz et pour lesquels l’explosion est assurée par un léger apport de biodiesel/huile ou gazole. Lorsqu’il est produit à petite ou moyenne échelle, le méthane est difficile à stocker. Il doit être donc être exploité sur place, en alimentation d’un groupe électrogène par exemple.

Une possibilité qui est développé en Europe et aux États-Unis est son épuration aux normes du gaz naturel pour qu’il puisse être injecté dans les réseaux de gaz naturel, et ainsi s’y substituer en petite partie pour les utilisations traditionnelles qui en sont faites. Le rendement énergétique de cette filière biocarburant est actuellement bien meilleure que les autres et techniquement plus simple mais elle est très peu médiatisée en France.

Le dihydrogène (bio-hydrogène) : le reformage du bio-méthane permet de produire du dihydrogène. Ce dernier peut également être produit par voie bactérienne ou microalgale14,15,16,17.
La filière BTL (ou Biomass to liquid) permet d’obtenir des carburants grâce à la procédé Fischer-Tropsch18.
Le gazogène : inventé par Georges Imbert (1884-1950), le gazogène est un système qui peut remplacer l’essence dans les moteurs à explosion par des carburants solides, dont le bois.

• La filière charbon de bois

Le charbon de bois est obtenu par pyrolyse du bois, de la paille ou d’autres matières organiques. Un ingénieur indien a développé un procédé permettant de pyrolyser les feuilles de cannes à sucre.

Les filières de deuxième génération

• Des recherches sont en cours afin de transformer la lignine et la cellulose des végétaux (paille, bois, déchets divers) en alcool ou en gaz (filière lignocellulosique-biocombustible.

• Les termites possèdent des bactéries capables de transformer de manière efficace et économique les déchets de bois en sucres pour la production d’éthanol

• Les microalgues permettent d’envisager des rendements à l’hectare généralement 50 fois supérieurs à ceux des espèces oléagineuses terrestres.

Un inconvénient majeur pour le développement des carburants de première génération est qu’ils entrent en compétition avec les cultures alimentaires et avec les écosystèmes à biodiversité élevée. De nouvelles filières à vocation purement énergétique, aux meilleurs rendements et plus intéressantes sur le plan environnemental émergent progressivement, on parle alors d’éthanol cellulosique. Toutefois, les rendements de ces nouvelles techniques restent faibles selon Claude Roy, coordinateur interministériel en France pour la valorisation de la biomasse et leur coût les rendrait peu appropriables par le Sud selon la CNUCED.

Selon le directeur du Programme des Nations Unies pour l’Environnement, les termites possèdent des bactéries capables de transformer “de manière efficace et économique les déchets de bois en sucres pour la production d’éthanol”. Le potentiel de la filière cellulosique est énorme et les technologies évoluent rapidement.

C’est probablement à partir de cultures de microalgues, 30 à 100 fois plus efficaces que les oléagineux terrestres, que des biocarburants pourront être produits avec les meilleurs rendements, rendant ainsi envisageable une production de masse sans déforestation massive ni concurrence avec les cultures alimentaires.

• Fruits de Jatropha curcas

Jatropha curcas, un arbuste qui pousse en zone aride et qui produit en moyenne 1892 litres d’huile par hectare et par an, est également une plante très prometteuse. Sa culture (réalisée de manière éco-responsable) permet en particulier de lutter contre la désertification.

Pongamia pinnata (ou Karanj) est un arbre à croissance rapide, fixateur d’azote, très résistant à la sécheresse, qui pousse en plein soleil, sur des sols difficiles, même sur des sols salés, et producteur d’huile. L’Inde encourage actuellement fortement la plantation de cet arbre dans les zones impropres aux cultures traditionnelles, ceci dans l’optique de produire de l’huile végétale.

D’autres espèces oléifères cultivables en zone aride offrent également des perpectives très intéressantes : Madhuca longifolia (Mahua) – Moringa oleifera (Saijan) – Cleome viscosa etc.

Le bilan énergétique ainsi le bilan carbone est en général meilleurs quand on adapte le moteur à l’huile végétale pure (moteur Elsbett par exemple) plutôt que d’adapter l’huile végétale (transformation chimique en biodiesel, processus lourd) à des moteurs conçus pour fonctionner avec des dérivés du pétrole.

Bilan économique et intérêt géostratégique des biocarburants

• Evolution de la part importée dans la consommation totale de pétrole aux USA.

Une grande partie de la production pétrolière à lieu dans des pays instables : Irak, Nigéria, Venezuela, Iran. Les biocarburants permettent aux pays qui les produisent de devenir moins dépendants sur le plan énergétique.

Chiffres clés :

• Production mondiale d’EMHV : (biodiesel, “Diester”) en 2005 ~ 4 millions de tonnes (Allemagne : 45% de la production mondiale – France : 15% – Italie : 11% – USA : 7%).
• Production mondiale d’éthanol en 2005 : 36 millions de tonnes dont 75 % utilisés pour la carburation (37% de la production mondiale : Amérique du Sud – 36% : Amérique du Nord et Amérique centrale – Asie : 15% – Europe : 10%)
• Consommation mondiale de pétrole dans les transports routiers en 2005 : 1,6 milliards de tonnes

Concurrence avec la production alimentaire

Les agrobiocarburants (biocarburants produits à partir de produits agricoles) favorisent la déforestation et l’érosion des sols, et font concurrence à l’alimentation. Leur production uniquement guidée par des impératifs économiques pourrait conduire à de graves conséquences sociales et/ou environnementales.

Contexte : baisse mondiale des surfaces arables

Les surfaces arables du globe sont en réduction depuis plusieurs dizaines d’années sous l’effet de plusieurs facteurs : urbanisation des meilleurs terres (notamment en Asie), processus de désertification (notamment dans les régions du Sahel et en Australie, mais aussi en Espagne), impact du réchauffement climatique et érosion des terres arables fragiles causée par la déforestation ou l’abus d’engrais.
A l’échelle du globe, les pertes de surfaces arables sont estimées à une fourchette comprise entre 70 000 et 140 000 km par an. La baisse structurelle des surfaces des terres arables est accélérée par le recours aux agrocarburants

Bilan environnemental

« Le bilan énergétique (c’est-à-dire le rapport entre l’énergie fossile – le pétrole – économisée et utilisée) de l’éthanol à partir de blé est très médiocre. Le bilan des huiles de colza comme substitut au diesel est un peu meilleur, mais, dans les deux cas, si l’on tient compte des pollutions des eaux et d’autres aspects environnementaux, le bilan en termes d’environnement est très incertain, » selon Jean-Christophe Bureau, chercheur à l’Institut national de la recherche agronomique (INRA).

• Économies énergétiques et émission de gaz à effet de serre

L’homme émet chaque année 24 milliards de tonnes de CO2 dans l’atmosphère. Les émissions massives de gaz à effet de serre sont à l’origine du réchauffement climatique.

Contrairement à la combustion des énergies fossiles, le carbone émis lors de la combustion de biocarburants (filière huile ou filière éthanol) a préalablement été fixé par les plantes (colza, blé, maïs…) lors de la photosynthèse. Le bilan carbone semble donc, a priori, neutre et le recours à cette énergie permet d’éviter des émissions supplémentaires de gaz à effet de serre. Pour déterminer s’il y a un réel gain en terme d’émission de CO2, il s’agit de faire le bilan énergétique de la production de biocarburant.

En France, l’Agence de l’environnement et de la maîtrise de l’énergie (ADEME) et le Réseau Action Climat publient des études sur l’intérêt des biocarburants pour réduire les émissions de gaz à effet de serre.
L’ADEME a réalisé une synthèse des différentes études, en normalisant les résultats. La conclusion du rapport de synthèse de 2006 est : “Alors que les résultats publiés sont radicalement différents et donnent lieu à des conclusions opposées, les résultats normalisés permettent de tirer une conclusion commune aux trois études : l’éthanol et le biodiesel permettent tous deux de réduire la dépendance aux énergies non renouvelables par rapport aux carburants fossiles. En ce qui concerne les GES, les indicateurs publiés soulignent les mêmes bénéfices des biocarburants par rapport aux carburants fossiles.” La valorisation effective des coproduits (par la filière éthanol cellulosique ou par méthanisation par exemple) permettra d’améliorer considérablement ce bilan. Les conclusions d’un rapport du “Department for Transport” britannique vont dans le même sens, tout en soulignant cependant l’impact environnemental non négligeable du développement des filières classiques en zone tropicale. Ces impacts peuvent, selon l’ONG Via Campesina, conduire à rendre les biocarburants pire que le pétrole qu’ils remplacent.

Cependant, une étude de P.J. Crutzen prétend que l’usage des biocarburants issus des cultures de colza et de maïs pourrait en fait augmenter l’effet de serre. Selon ces auteurs l’augmentation des émissions de protoxyde d’azote dûs à l’usage d’engrais azotés pour la production de biocarburants à partir de ces cultures pourrait avoir un effet plus défavorable sur l’effet de serre que la réduction de la production de CO2.
Selon le Réseau Action Climat, dans une étude publiée en mai 2006, les résultats de la filière éthanol présentent une économie énergétique limitée, très relative pour l’ETBE, voire négative pour l’éthanol de blé, et permettent quelques économies de GES.
Toujours selon la même étude, la filière oléagineuse est beaucoup plus intéressante surtout en ce qui concerne l’huile pure. Le bilan énergétique ainsi que le bilan carbone sont toujours bien meilleurs quand on adapte le moteur à l’huile végétale pure plutôt que d’adapter l’huile végétale à des moteurs conçus pour fonctionner avec des dérivés du pétrole. À plus forte raison si l’on préfère des plantes pérennes implantées dans des zones où elles n’entrent pas en concurrences avec d’autres. Des plantes qui peuvent se développer en zone aride comme Jatropha curcas, Pongamia pinnata ou Madhuca longifolia pourraient présenter de biens meilleurs résultats.

L’utilité des biocarburants dépend ainsi de façon importante et de la filière choisie, et de la valorisation effective des coproduits. D’où l’importance de leur trouver des débouchés, notamment pour les tourteaux de colza et de tournesol.

En France, d’après le ministère de l’industrie, deux principaux biocarburants sont utilisés à l’heure actuelle :

• L’ETBE (éthyle tertio butyle éther, à partir de l’éthanol) pour les véhicules essence (90% de la consommation de biocarburant en France).

• L’EMVH (biodiesel ou Diester) pour les véhicules diesel.

Coté ethanol l’ETBE reçoit la préférence du ministère par rapport à l’E85, plus riche (85%) en éthanol : au plan technique, l’ETBE est la meilleure façon d’incorporer de l’éthanol au carburant, grâce à son indice d’octane élevé autant qu’à sa faible volatilité.

Biocarburants et qualité de l’air

La combustion du bioéthanol produit davantage d’aldéhydes que l’essence, mais ceux du bioéthanol sont moins toxiques. Selon Mark Jacobson de l’université de Stanford, la combustion de l’éthanol entraîne la formation d’oxydes d’azote et de composés organiques volatils (COV), qui eux réagissent pour former de l’ozone, principal responsable de la formation du smog.

Impacts sur la biodiversité, la ressource eau et les sols

La production de biocarburant, demande les moyens de la production agricole intensive, en terme d’engrais et de produits phytosanitaires. Dans une étude parue dans Bioscience, des chercheurs de l’Université d’État de Washington concluent que la filière éthanol à partir de canne à sucre réduit la biodiversité et augmente l’érosion du sol.

Selon les estimations de l’association “Les amis de la Terre”, la plantation de palmiers à huile a été responsable de 87 % de la déforestation en Malaisie entre 1985 et 2000.

Possibilité de remplacement des énergies fossiles

En 2003, le biologiste Jeffrey Dukes a calculé que les énergies fossiles brûlées en un an (1997) provenaient d’une masse de matière organique préhistorique qui représentait plus de 400 fois l’énergie qui se fixe et s’accumule naturellement dans le même temps sur la planète. Dans le même article, Dukes estime que le remplacement des carburants fossiles par une combustion de végétaux actuels correspondrait au moins à 22% de la production végétale terrestre (y compris des végétaux marins), augmentant ainsi de 50% l’appropriation de cette ressource par l’homme.
L’obtention de ces biocarburants nécessite d’importantes surfaces cultivables. Selon Jean-Marc Jancovici, Ingénieur Conseil spécialiste des émissions des gaz à effet de serre, il faudrait par exemple cultiver 118% de la surface totale de la France en tournesol pour remplacer l’intégralité des 50Mtep de pétrole consommées chaque année par les français dans les transports.

Pour Jean-Marc Jancovici, les biocarburants sont donc un intéressant problème de politique agricole, mais un élément négligeable d’une politique énergétique.
Les analyses de Jean-Marc Jancovici sont toutefois critiquées. L’approche consistant à évaluer le potentiel des agrocarburants en rapportant les rendements agricoles à la surface disponible totale des terres arables est réfutée par certains scientifiques et industriels promoteurs des agrocarburants. Certains soulignent ainsi que le rendement maximal d’une plante cultivée est d’importance secondaire par rapport aux coproduits de celle ci, à la quantité de travail nécessaire à sa culture et à son impact sur la composition chimique du sol (enrichissement ? apauvrissement ?).

La directive européenne 2003/30/CE demande à ce qu’en 2010 les biocarburants représentent 5,75% de la consommation. La France prévoit de monter ce taux à 10%. Le gouvernement britannique espère que les biocarburants puissent fournir en 2050 un tiers de la demande en carburant.

Historique et perspectives.

• Les biocarburants sont apparus parallèlement à la naissance l’industrie automobile ; Nikolaus Otto, inventeur du moteur à explosion, avait conçu celui-ci pour fonctionner avec de l’éthanol. La Ford T (produite de 1903 à 1926) roulait avec cet alcool. Rudolf Diesel, inventeur du moteur à combustion faisait tourner ses machines à l’huile d’arachide. Lors des deux guerres mondiales, les gazogènes sont rapidement apparus pour parer au manque de fuel ou d’essence.

• Au milieu du XXe siècle, quand le pétrole devint abondant et bon marché, les industriels et les consommateurs se désintéressèrent des biocarburants.

• En 2000, une hausse du prix du pétrole, l’approche du pic pétrolier, la nécessité de lutter contre l’effet de serre et enfin les menaces sur la sécurité d’approvisionnement ont conduit les gouvernements à multiplier les discours et les promesses d’aides pour le secteur des agrocarburants. La Commission européenne souhaite que les pays membres incluent au moins 5,75 % de biocarburants dans l’essence, en subventionnant les biocarburants. Enfin la Suède vise une indépendance énergétique dès 2020.

• En avril 2007, un rapport de l’ONU n’arrive pas à quantifier les avantages et inconvénients des biocarburants. Il propose aux décideurs d’encourager leur production et utilisation durable ainsi que d’autres bioénergies, en cherchant à maximiser les bénéfices pour les pauvres et pour l’environnement tout en développant la recherche et développement pour des usages d’intérêt public. Deux projets de directive européenne sont en cours d’examen en 2007 ; sur la qualité des biocarburants et sur leur promotion.

En 2007, les demandes de subvention à l’Europe ont porté sur 2,84 millions d’ha, alors que le dispositif d’aide de la PAC a été prévu (en 2004) pour 2 millions d’ha consacrés aux agrocarburants. Seuls 70 % des ha pourront donc être subventionnés (45€ par ha). (alors qu’on en cultivait déjà 1,23 millions d’ha. Cette subvention pourrait être remise en question par la commissaire européenne à l’agriculture Mariann Fischer Boel dans une Communication “Bilan de santé de la Pac”, le prix du pétrole (100 USD le baril en janvier 2008) ne justifie plus cette aide113. Le dernier écobilan fait en France a été fait par PWC (consultants) en 2002. Suite au Grenelle de l’Environnement (oct 2007), en France le gouvernement en a commandé un nouveau à l’Ademe.

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