Les biocarburants sont des carburants destinés au transport, tels que l’éthanol et le carburant diesel à base de biomasse, qui sont fabriqués à partir de matières issues de la biomasse. Ces carburants sont généralement mélangés à des carburants pétroliers (essence, distillat/diesel et mazout de chauffage), mais ils peuvent aussi être utilisés seuls. L’utilisation d’éthanol ou de biodiesel réduit la consommation d’essence et de carburant diesel fabriqués à partir de pétrole brut, ce qui peut réduire la quantité de pétrole brut importée d’autres pays. L’éthanol et le biodiesel sont également des combustibles plus propres que l’essence et le carburant diesel purs.
Qu’est-ce que l’éthanol ?
L’éthanol est un alcool carburant fabriqué à partir des sucres présents dans des céréales comme le maïs, le sorgho et l’orge.
Les autres sources de sucres permettant de produire de l’éthanol sont les suivantes :
- la canne à sucre
- les betteraves à sucre
- les peaux de pommes de terre
- riz
- tontes de jardin
- écorce d’arbre
La plupart de l’éthanol carburant utilisé en France est distillé à partir de maïs. Les scientifiques cherchent des moyens de produire de l’éthanol à partir de toutes les parties des plantes et des arbres plutôt qu’à partir des céréales. Ils expérimentent des cultures ligneuses à croissance rapide telles que le peuplier ou le saule pour voir si elles peuvent être utilisées pour produire de l’éthanol.
L’éthanol est mélangé à l’essence
La quasi-totalité de l’essence vendue actuellement en France contient environ 10 % d’éthanol en volume. Tout moteur à essence peut utiliser de l’E10 (essence avec 10 % d’éthanol), mais seuls certains types de véhicules peuvent utiliser des mélanges avec du carburant contenant plus de 10 % d’éthanol.
Un véhicule à carburant flexible peut utiliser de l’essence dont la teneur en éthanol est supérieure à 10 %. L’E85, un carburant qui contient 51 % à 83 % d’éthanol, selon le lieu et la saison, ne peut quand à lui n’être utilisé que dans un véhicule à carburant flexible.
Qu’est-ce que le carburant diesel à base de biomasse ?
Les carburants diesel issus de la biomasse comprennent le biodiesel et le diesel renouvelable. Ils sont tous deux appelés carburants diesel issus de la biomasse parce qu’ils sont principalement produits pour être utilisés dans des moteurs diesel, mais ils peuvent également être utilisés comme combustibles de chauffage. Les deux carburants sont fabriqués à partir de la biomasse ou de matériaux dérivés de la biomasse, mais ils diffèrent par leur mode de production et leurs propriétés physiques. Les carburants diesel à base de biomasse peuvent être utilisés dans les moteurs diesel sans modification de ces derniers.
Ethanol
L’éthanol (CH3CH2OH) est un carburant renouvelable qui peut être fabriqué à partir de diverses matières végétales, collectivement appelées « biomasse ». L’éthanol est un alcool utilisé comme agent de mélange avec l’essence pour augmenter l’indice d’octane et réduire les émissions de monoxyde de carbone et autres émissions génératrices de smog.
Le mélange d’éthanol le plus courant est l’E10 (10 % d’éthanol, 90 % d’essence) et son utilisation est autorisée dans la plupart des véhicules à essence classiques jusqu’à l’E15 (15 % d’éthanol, 85 % d’essence). Certains véhicules, appelés véhicules à carburant souple, sont conçus pour fonctionner à l’E85 (un mélange essence-éthanol contenant de 51 % à 83 % d’éthanol, selon la géographie et la saison), un carburant alternatif dont la teneur en éthanol est beaucoup plus élevée que celle de l’essence ordinaire.
La plupart de l’éthanol est fabriqué à partir d’amidons et de sucres végétaux – en particulier l’amidon de maïs mais les scientifiques continuent à développer des technologies qui permettraient d’utiliser la cellulose et l’hémicellulose, la matière fibreuse non comestible qui constitue la majeure partie de la matière végétale.
La méthode la plus courante pour convertir la biomasse en éthanol est la fermentation. Pendant la fermentation, des micro-organismes (par exemple, des bactéries et des levures) métabolisent les sucres végétaux et produisent de l’éthanol.
Biodiesel
Le biodiesel est un carburant liquide produit à partir de sources renouvelables, telles que les huiles végétales et les graisses animales, neuves ou usagées, qui remplace le carburant diesel à base de pétrole. Le biodiesel est non toxique et biodégradable et est produit en combinant de l’alcool avec de l’huile végétale, de la graisse animale ou de la graisse de cuisson recyclée.
Comme le diesel dérivé du pétrole, le biodiesel est utilisé pour alimenter les moteurs à allumage par compression (diesel). Le biodiesel peut être mélangé au pétrodiésel dans n’importe quel pourcentage, y compris le B100 (biodiesel pur) et le mélange le plus courant, le B20 (un mélange contenant 20 % de biodiesel et 80 % de pétrodiésel).
Processus de conversion des biocarburants
Déconstruction
La production de biocarburants avancés (par exemple, l’éthanol cellulosique et les carburants hydrocarbonés renouvelables) implique généralement un processus en plusieurs étapes. Tout d’abord, la structure rigide de la paroi cellulaire de la plante – qui comprend les molécules biologiques de cellulose, d’hémicellulose et de lignine étroitement liées entre elles – doit être décomposée. Cela peut se faire de deux manières : la déconstruction à haute température ou la déconstruction à basse température.
Déconstruction à haute température
La déconstruction à haute température utilise une chaleur et une pression extrêmes pour décomposer la biomasse solide en produits intermédiaires liquides ou gazeux. Trois voies principales sont utilisées dans cette filière :
- La pyrolyse
- La gazéification
- Liquéfaction hydrothermique.
Au cours de la pyrolyse, la biomasse est chauffée rapidement à haute température (500°C-700°C) dans un environnement sans oxygène. La chaleur décompose la biomasse en vapeur de pyrolyse, en gaz et en charbon. Une fois le charbon éliminé, les vapeurs sont refroidies et condensées en une huile liquide « bio-crude ».
La gazéification suit un processus légèrement similaire ; toutefois, la biomasse est exposée à une plage de températures plus élevée (>700°C) en présence d’oxygène pour produire du gaz de synthèse (ou syngaz), un mélange composé principalement de monoxyde de carbone et d’hydrogène.
Lorsqu’on travaille avec des matières premières humides comme les algues, la liquéfaction hydrothermique est le procédé thermique préféré. Ce procédé utilise de l’eau à des températures modérées (200°C-350°C) et à des pressions élevées pour convertir la biomasse en bio-pétrole brut liquide.
Déconstruction à basse température
La déconstruction à basse température fait généralement appel à des catalyseurs biologiques appelés enzymes ou à des produits chimiques pour décomposer les matières premières en produits intermédiaires. Tout d’abord, la biomasse subit une étape de prétraitement qui ouvre la structure physique des parois cellulaires des plantes et des algues, rendant les polymères de sucre comme la cellulose et l’hémicellulose plus accessibles. Ces polymères sont ensuite décomposés par voie enzymatique ou chimique en simples blocs de sucre au cours d’un processus appelé hydrolyse.
Amélioration
Après la déconstruction, les produits intermédiaires tels que les bio-huiles brutes, le gaz de synthèse, les sucres et d’autres composants chimiques doivent être valorisés pour obtenir un produit fini. Cette étape peut impliquer un traitement biologique ou chimique.
Les micro-organismes, tels que les bactéries, les levures et les cyanobactéries, peuvent fermenter les sucres ou les intermédiaires gazeux pour en faire des mélanges de carburants et des produits chimiques. Les sucres et autres flux intermédiaires, tels que la bio-huile et le gaz de synthèse, peuvent également être traités à l’aide d’un catalyseur pour éliminer tout composé indésirable ou réactif afin d’améliorer les propriétés de stockage et de manipulation.
Les produits finis issus de la valorisation peuvent être des carburants ou des bioproduits prêts à être vendus sur le marché commercial ou des produits intermédiaires stabilisés adaptés à la finition dans une raffinerie de pétrole ou une usine de fabrication de produits chimiques.
Considérations économiques et environnementales
Pour évaluer les avantages économiques des biocarburants, il faut tenir compte de l’énergie nécessaire à leur production. Par exemple, le processus de culture du maïs pour produire de l’éthanol consomme des combustibles fossiles dans les équipements agricoles, dans la fabrication des engrais, dans le transport du maïs et dans la distillation de l’éthanol. À cet égard, l’éthanol produit à partir du maïs représente un gain énergétique relativement faible ; le gain énergétique de la canne à sucre est plus important et celui de l’éthanol cellulosique ou du biodiesel d’algues pourrait l’être encore plus.
Les biocarburants présentent également des avantages pour l’environnement mais, en fonction de leur mode de fabrication, ils peuvent aussi présenter de graves inconvénients pour l’environnement. En tant que source d’énergie renouvelable, les biocarburants d’origine végétale apportent en principe une faible contribution nette au réchauffement de la planète et au changement climatique ; le dioxyde de carbone (un important gaz à effet de serre) qui pénètre dans l’air pendant la combustion aura été éliminé de l’air plus tôt, lorsque les plantes en croissance se livrent à la photosynthèse. On dit d’un tel matériau qu’il est « neutre en carbone ». Dans la pratique, cependant, la production industrielle de biocarburants agricoles peut entraîner des émissions supplémentaires de gaz à effet de serre qui peuvent annuler les avantages de l’utilisation d’un carburant renouvelable. Ces émissions comprennent le dioxyde de carbone provenant de la combustion de combustibles fossiles pendant le processus de production et l’oxyde nitreux provenant du sol qui a été traité avec des engrais azotés. À cet égard, la biomasse cellulosique est considérée comme plus avantageuse.
L’utilisation des sols est également un facteur important dans l’évaluation des avantages des biocarburants. L’utilisation de matières premières ordinaires, comme le maïs et le soja, comme composant principal des biocarburants de première génération a suscité le débat « nourriture contre carburant ». En détournant des terres arables et des matières premières de la chaîne alimentaire humaine, la production de biocarburants peut affecter l’économie du prix et de la disponibilité des aliments. En outre, les cultures énergétiques destinées à la production de biocarburants peuvent concurrencer les habitats naturels de la planète. Par exemple, l’accent mis sur l’éthanol dérivé du maïs entraîne le déplacement des prairies et des broussailles vers les monocultures de maïs, et l’accent mis sur le biodiesel entraîne la destruction d’anciennes forêts tropicales pour faire place aux plantations de palmiers à huile. La perte d’habitats naturels peut modifier l’hydrologie, accroître l’érosion et, d’une manière générale, réduire la biodiversité des zones sauvages. Le défrichage des terres peut également entraîner la libération soudaine d’une grande quantité de dioxyde de carbone lorsque la matière végétale qu’elles contiennent est brûlée ou se décompose.
Certains des inconvénients des biocarburants s’appliquent principalement aux sources de biocarburants à faible diversité – maïs, soja, canne à sucre, palmiers à huile – qui sont des cultures agricoles traditionnelles. Une alternative consiste à utiliser des mélanges d’espèces très diversifiés. La conversion de terres agricoles dégradées et hors production en de telles sources de biocarburants à haute diversité pourrait augmenter la superficie de la faune, réduire l’érosion, nettoyer les polluants d’origine hydrique, stocker le dioxyde de carbone de l’air sous forme de composés de carbone dans le sol, et finalement restaurer la fertilité des terres dégradées. Ces biocarburants pourraient être brûlés directement pour produire de l’électricité ou convertis en carburants liquides au fur et à mesure du développement des technologies.
