Les Biocarburants - Bioéthanol

Bioéthanol de première génération : Le bioéthanol peut être produit à partir de l’amidon et des sucres accumulés dans la matière végétale. D’abord, l’amidon doit être décomposé en glucose. La fermentation des sucres par les levures produit de l’éthanol qui est un carburant utilisable pour les moteurs conventionnels, les piles à combustibles ou les turbines.
Pour des raisons de rentabilité il faut choisir des ressources végétales riches en amidon ou en sucres. Les ressources végétales actuellement les plus utilisées pour la production de bioéthanol sont le mais, la canne à sucre, le blé et la betterave avec des productivités différentes (source : FNR, Allemagne).

Ci dessous une vision des rendements en éthanol à partir des differentes ressources végétales actuellement utilisées :

Bioéthanol de seconde génération : De nouvelles technologies ont été développées afin de permettre la transformation de la matière lignocellulosique végétale en bioéthanol. La matière lignocellulosique désigne bois, écorces, tiges, feuilles, pulpe de papier ou encore les herbes. Cette matière végétale ne peut être digérée ni par l’homme ni par le plupart de microorganismes. Sa conversion en sucres est donc difficile et explique partiellement pourquoi cette partie abondante de la biomasse n’a pas été exploitée pour la production de biocarburants.

La lignocellulose est composée essentiellement de cellulose, d’hémicellulose et de lignine et constitue les parois cellulaires chez la plupart des plantes. La cellulose et l’hémicellulose sont de longues chaînes de molécules de sucre. La lignine est un composé chimique complexe constituté des dérivés du phényle propane. Les liaisons entre les unités chimiques sont plus résistantes à la dégradation enzymatique que celles de la cellulose et hémicellulose. La lignocellulose et en particulier la lignine confère à la plante solidité et imperméabilité.

Un processus de dégradation de la lignocellulose à grande échelle devrait impliquer la pulvérisation de la biomasse et le traitement avec de l’acide chaude pour hydrolyser les hémicelluloses, dissocier la lignine des polysaccharides et libérer les sucres dans la solution obtenue. Ensuite après la neutralisation de cette solution, les sucres sont transformés par fermentation microbienne (bactéries, levures) en éthanol. La fraction non soluble peut être traitée à l’aide d’enzymes (cellulases et glycosidases) pour libérer également des sucres qui seront fermentés. Les résidus restant qui contiennent essentiellement de la lignine pourront être incinérés afin de générer de l’énergie pour l’ensemble du processus car la lignine ne peut pas être converti en éthanol.

La production du bioéthanol à partir de la lignocellulose permet la valorisation énergétique d’une part maximale de la biomasse végétale par rapport au bioéthanol de première génération. Les ressources pour la production d’éthanol de seconde géneration peuvent être extraites des plantes riches en lignocellulose, des résidus agricoles, des déchets municipaux, forestiers et ceux d’exploitation de bois.

Actuellement, les technologies se développent et poussent le marché d’éthanol à partir de la lignocellulose.

Utilisation et transformation du bioéthanol

Les caractéristiques de l’éthanol sont trop différentes de celles de l’essence pour son usage pur par des véhicules de transport classiques. Deux solutions existent actuellement :

• D’un coté, l’éthanol peut être mélangé à faible taux avec de l’essence conventionnelle. Tout moteur de voiture conventionnelle peut fonctionner avec 10% de bioéthanol mélangé avec de l’essence.
• De l’autre coté, des véhicules appelés flex-fuel ont été développées (notammement en Brésil) et sont adaptés à l’utilisation d’un mélange qui contient au maximum 85% d’éthanol, les 15% restant correspondant à l’essence. Le moteur des flex-fuel fonctionne donc avec n’importe quel autre proportion d’essence et de bioéthanol dans la limite des 85% en éthanol. Dans l’union europénne, un marquage de l’essence devient nécessaire quand le taux d’éthanol franchit 5% (idem pour le biodiesel) (source : Commission Européenne).

On peut utiliser l’éthanol sous forme d’éthyl-tertio-butyl-éther (ETBE) qui est obtenu par par réaction chimique avec l’isobutène. L’ETBE contient environ 47% d’éthanol en masse. Ses propriétés en font un carburant qui peut être mélangé à l’essence (en France à hauteur de 10 à 15%, source : Ministère de l’Écologie, du Développement et de l’Aménagement Durables et Ministère de l’Économie, des Finances et de l’Emploi).

En 2006, les 5 plus grands producteurs de bioéthanol de première génération sont les Etats-Unis (18,3 billions litres), le Brésil (17,5 billions l), la Chine (1,0 billions l), l’Allemagne (0,5 billions l) et l’Espagne (0,4 billions l). D’autres pays producteurs du bioéthanol sont l’Australie, le Canada, la Colombie, la République Dominicaine, la France, l’Inde, la Jamaique, le Malawi, la Pologne, l’Afrique du Sud, la Suède, le Thailande et la Zambie.
On observe les augmentations les plus fortes de production aux Etats-Unis, suivi par le Brésil, la France, l’Espagne et l’Allemagne.
La production du bioéthanol pour le transport a atteint 39 billions litres en 2006 correspondant à une augmentation de 18% par rapport à 2005. (source : REN21 RE2007 Global Status Report).

Aspects positifs

- La production nationale d’essence à partir des matières végétale réduit les dépendances en terme d’importation de ressources d’énergies.

- D’autres avantages sont la diversification des activités agricoles et le développement de services durables basé sur l’exploitation d’une ressource d’énergie renouvelable.

- Comme la biomasse de la plante entière peut être exploité, le rendement en sucre et donc en éthanol par unité de surface cultivée et par an est plus élévé pour la technologie de seconde génération en comparaison avec celle de la première génération. Ayant un meilleur bilan énergétique et écologique, l’éthanol issu de cette filière pourrait mieux contribuer à la protection du climat.

Aspects négatifs

- A l’heure actuelle, la culture des plantes pour le bioéthanol entre en compétition avec celles pour l’alimentation sur les terres cultivables ce qui peut avoir un impact sur les prix et sur les dispositions de sécurité alimentaire. Par exemple, le prix du mais aux Etats-Unis a doublé entre 2003 et 2005 à cause de la forte demande de matière végétale par les producteurs de bioéthanol (source : REN21 RE2007 Global Status Report).

- Des impacts negatifs sur l’environnement et le climat par la production de bioéthanol :

• Des ressources fossiles sont utilisées pour travailler la terre avec des machines agricoles et pour le transport.
• De plus, des gaz à effet de serrre sont émis lors de la culture des plantes (fertilisants, pesticides).
• La déforestation progresse pour gagner de la terre cultivable notamment avec le mais, le soja et la canne à sucre.
• La fermentation des sucres issu des végétaux et le processus de distillation libère egalement du CO₂ ce qui peut ramener les déchets de CO₂ émis avec le bioethanol à un niveau qui dépasse celui des produits pétroliers.
• A cause d’une valeur calorifique de l’éthanol plus faible (26,7 MJ/kg) que du pétrole (43,9 MJ/kg), il faut environ 1,6 litres d’alcool pour donner l’énergie d’un litre d’essence (source : FNR, 2008).

Alors que les avis des experts ne sont pas unamines, le bilan énergétique et écologique du bioéthanol de première génération paraît plutôt mauvais (source : Nature Reports on Climate Change, 2007). L’Agence Fédérale d’Environnement Allemande suggère de revoir les mesures politiques conduisant à la promotion de biodiesel et de bioéthanol de première génération. Selon elle, leur bénéfice pour la protection du climat est faible en comparaison avec celui apporté par l’exploitation du biogaz et de la biomasse à partir du bois.

- L’emploi d’engrais et de produits de protection végétale créent des problèmes de pollution du sol et des eaux. Les grandes monocultures constituent une menace pour la biodiversité et sont consommatrices d’autres ressources telles que l’eau et les engrais. Ces aspects sont fortement critiqués par certaines ONGs (Friends of the Earth, Greenpeace, WWF).

- L’ajout d’ETBE à l’essence porte un risque de contamination pour les eaux phréatiques similaire au MTBE (méthyl-tertio-butyl-éther, utilisé comme antidétonant). Les deux composées chimiquess sont persistants est ne sont pas dégradables par des microorganismes (source : Access to Sustainable Knowledge ASK). A cause des contaminations des eaux observés à grande échelle, le MTBE est interdit aujourd’hui aux Etats-Unis comme supplément d’essence (source : Environmental Protection Agency, Etats-Unis).

Contraintes

- L’épuisement de ressources d’énergie fossiles nous demandent de trouver des solutions pour garantir une approvisionnement suffisant et durable en énergie.

- Le réchauffement climatique et l’augmentation des concentrations des gaz à effet de serre exigent que l’on mette en place rapidement des solutions propres et durables.

Axes de réflexion

- Plusieurs espèces végétales peuvent être utilisées pour la production de bioéthanol de seconde génération. Quelques critères guident vers les plantes les plus prometteuses de la filière :

• haut rendement de biomasse et de la cellulose en particulier qui peut être facilement converti en énergie
• faible besoin d’engrais et de pesticides
• forte capacité de pousse sur des sols marginaux.

- Quelles sont les alternatives au bioéthanol de première génération ? Le potentiel de celui de seconde génération reste à évaluer. De grandes installations sont en train de se mettre en place.

- Est-ce que le bioéthanol peut être une ressource énergétique durable pour les pays en développement malgré son impact écologique non négligeable ou est-ce d’autres formes d’énergies renouvelables comme le biogaz et / ou le BtL (Biomasse to Liquids) sont plus avantageux ?

- Qui sont les acteurs en recherche et développement sur ce secteur ? BP a massivement investi dans la recherche et contribué à la création d’Energy Bioscineces Institute (EBI) aux Etats-Unis. Quels sont les programmes de recherche poursuivis ? Quelles seront le technologies et les biocarburants de demain ?

Perspectives

- Une politique d’investissement et de promotion des biocarburants durable à l’échelle globale : Les premiers à souffrir de l’augmentation des prix des produits alimentaires sont les pays en voie de développement. La soif des pays industrialisés en carburants ne doit pas avoir d’impacts négatifs sur la sécurité alimentaire, l’environnement et l’équilibre des marchés.

References

Agence Fédérale de l’Environnement allemande, UBA

Agency for Renewable Ressources FNR, Allemagne

Portail francais sur le bioéthanol

Global Warming Potentials UNFCCC

Ministère de l’Écologie, du Développement et de l’Aménagement Durables et Ministère de l’Économie, des Finances et de l’Emploi

DGEMP - le dossier sur la biomasse

Nature Reports on Climate Change - The backlash against biofuels

Organisation des Nations Unies - Report on Sustainable Bioenergies : A Framework for Decision Makers, 2007

Directive of the European Parliament and of the Council on the promotion of the use of energy from renewable sources, 2008

FORRES 2020 : Analysis of the renewable energy sources evolution up to 2020

Worldwatch

REN 21 RE2007 Global Status Report

SEFI Investment Report 2007