Biocarburants
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<H3> Les biocarburants de 3ème génération</H3> | <H3> Les biocarburants de 3ème génération</H3> | ||
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+ | * Ces biocarburants exploitent la capacité de certaines micro-algues à se reproduire à grande vitesse tout en produisant et accumulant des sucres et des huiles. | ||
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+ | A lřéchelle des 20 prochaines années, force est de constater que les biocarburants actuels, éthanol et biodiesels, ne représenteront quřune étape transitoire. Lřéthanol possède un degré de réduction, et donc un contenu énergétique, trop faible, le biodiesel issu des plantes une productivité à lřhectare trop faible. Certes la production de ces deux agro carburants dits de 1ère génération est encore perfectible Ŕ et le sera Ŕ mais deux contraintes sous-tendent les recherches engagées et la prospective. Dřune part, celle dřaccroître la productivité à lřhectare sur des terres exploitées (déchets agroindustriels) et sur lřutilisation de nouveaux espaces non concurrentiels avec la production alimentaire (forêts, prairies et terres non utilisées), dřautre part celle de produire de nouvelles biomolécules Ŕ biosourcées Ŕ à contenu énergétique élevé « hydrocarbons like », le stade ultime étant la production dřhydrocarbures à partir de biomasse. En 2007, la société LS9 déclarait : « le meilleur substitut aux hydrocarbures est un autre hydrocarbure ». Nous ajoutons vert. A titre dřexemple, pour la série homologue des alcools, citons Ŕ en relatif Ŕ, avec une base 100 pour les hydrocarbures (degré de réduction maximal) le contenu énergétique du méthanol est de 54 %, celui de lřéthanol est de 73 %, celui du butanol de 95,6 %. En terme de contenu énergétique les esters méthyliques dřacides gras sont donc très corrects, le méthane et lřéthane présente également des pouvoirs calorifiques très élevés pour des émissions en CO2 environ 25 % plus faible que le gazole et lřessence. | ||
+ | Si la nature a mis des millions dřannées à convertir la biomasse en pétrole via le kérosène le challenge pour les technologues est de convertir la biomasse en pétrole en quelques heures. | ||
+ | La voie thermochimique couplant gazéification et procédés de type Fischer Tropsch (FT) et méthanation (BioSNG) est une voie dřaccès crédible pour peu que des perfectionnements technologiques soient apportés. Cřest une référence stratégique. | ||
+ | Dřautres voies dřaccès sont suivies par les biologistes, elles passent par la déconstruction des substances de réserve des plantes (amidon, fructosanes), des lignocelluloses (voie humide), leur hydrolyse en monomères puis lřobtention de molécules à contenu énergétique élevé par voie microbienne. Ces réactions de type dismutation sont très performantes sur le plan énergétique (rendement de 90 %pour la production biologique de bioéthanol, de 92 % pour la production de bio méthane). | ||
+ | Toutefois, lorsque ces molécules sont à lřétat dissous leur extraction entraîne un coût énergétique élevé. Outre lřobtention de molécules réduites les caractéristiques dřinsolubilité dans lřeau seront recherchées : volatilité, immiscibilité, précipitation ou flottabilité de solides. On pourra lire lřexcellent rapport : « Breaking the chemical and Engineering Barrier to Lignocellulosic Biofuels :Next generation Hydrocarbon Biorefineries » édité par lřUniversité de Massachussetts Amherst,2008 ainsi que J L Fortman et al. « bioalternatives to ethanol :pumping the microbial well, Trends in biotechnology,26,N°7 : 375 -381. | ||
+ | Citons, de manière réaliste, en ne considérant que des molécules développées en R et D industrielle par des sociétés, dans lřétat actuel de la technologie, 8 molécules « type » phares : | ||
+ | alcools isopropanol-Hanai T, Atsumi S and Liao JC, Appl.enviro Microbiol, 2007, 73 :7814-7816.- -n et iso butanol (un oxygène pour 4 C). Ces molécules sont les plus matures mais des recherches sont engagées sur des dřalcools supérieurs (Pentanol(s), Octanols(s), Phényl éthanol - Atsumi S, Hanai T &. Liao J C, Nature 2008, vol 451,86-89-. | ||
+ | Contrairement au n-butanol produit en métabolisme réductif lřiso butanol lřest par voie oxydative en modifiant les voies de dégradation des alpha céto acides (alpha céto valérates pour les butanols). La logique de développement est traitée en termes dřénergie et de synthons (Metex, Gévo, Butamax, Du Pont de Nemours). | ||
+ | Acides gras dřorigine microbienne à partir de substrats de première et seconde génération (en moyenne 1 oxygène pour 8 à 9 C), (Gevo, INSA LISBP) et algale (laboratoires GEPEA, CEA-LB3M… et explosion de « starts ups » associées ou non à des sociétés « global players ». Ces acides gras peuvent être convertis en méthyl ester dřacides gras (MEFA) (le biodiésel traditionnel) ou traités par hydrocracking et métathèse en alcool gras (1 oxygène pour 12 à 18 atomes de C) ou dřautres molécules (société Ineos biol par exemple). Notons ici que les lipides dřorigines animales, algales, végétales et microbiennes peuvent servir de néo matières premières pour des conversions réductives catalytiques accroissant leur potentiel biofuels et faisant le pont entre les bio-raffineries et la pétrochimie. | ||
+ | Isoprène (hydrocarbure): stratégie synthons puis production dřénergie, (Genencor-Danisco devenu Du Pont de Nemours)/Goodyear), Harada H, Misawa N, Appl Microbiol Biotechnol 2009 :84/1021-103 | ||
+ | Isobutène (hydrocarbure), stratégie synthons puis énergie (Global BioEnergies Evry Fr Ŕ P Marlière et M Delcourt -), autres hydrocarbures alcéniques (lycopène), Alper, H. & Stephanopoulos, G. Appl. Microbiol. Biotechnol. (2008) : 78, 801–810 | ||
+ | farnesène (hydrocarbure) ; Martin VJJ, WithersST, Newman JD, Kiesiling JD ; Nat Biotech - 2003,21 :796 -802, stratégie biofuels jet et biodiesel (Amyris) | ||
+ | Ester éthylique dřacides gras EEAG, (en moyenne 1 oxygène pour 8 à 9 C), excrétés directement par le microorganisme « reconstruit et reprogrammé » (LS9/Shell) | ||
+ | Paraffines (hydrocarbure), pour injection directe dans le réformage catalytique pétrolier, (Synthetic Biology). | ||
+ | A part cette dernière société qui revendique lřutilisation de la biologie synthétique, tous les exemples cités ci-dessus ont eu recours à lřexploitation de la biodiversité (et de la connaissance des génomes), à la maitrise totale et parfaite des voies métaboliques de microorganismes hôtes (préférentiellement E.coli, Saccharomyces cerevisiae, mais aussi aux voies dřaccès aux métabolites dans le système vivant dřorigine (microorganismes, plantes…). | ||
+ | Les génies génétique et métabolique sont deux technologies essentielles pour construire des souches à potentiels. | ||
+ | (source : http://energie.cnrs.fr/2011/ATELIERS2011.pdf) | ||
<H3>Les biocarburants de 4ème génération </H3> pas du tout au point, ces biocarburants seraient produits à partir de micro-organismes génétiquement modifiés. | <H3>Les biocarburants de 4ème génération </H3> pas du tout au point, ces biocarburants seraient produits à partir de micro-organismes génétiquement modifiés. |
Version du 14 octobre 2011 à 08:41
Les biocarburants
L’appellation « biocarburants » est sans doute impropre et beaucoup pensent qu’il vaudrait mieux appeler ces carburants des « agrocarburants ». - On appelle biocarburant tous les combustibles liquides produits à partir de plantes cultivées. Deux approches sont en compétition sur le marché des biocarburants : le bioéthanol (voir Bioéthanol) et le diester (voir Diester). En Europe, on fabrique surtout de l’huile pour biodiesel tandis qu’aux USA et au Brésil, on préfère la fermentation alcoolique des sucres pour produire de l’éthanol.
- Les constructeurs auto pressés par la Commission européenne visent à respecter une norme moyenne de 130 grammes d’émission de C02 par kilomètre d’ici 2012. Bruxelles fixe le cap de 10% pour la part de biocarburants dans le total de la consommation énergétique totale liée aux transports d’ici 2020.
- La France serait en 2007 bien au-dessus de l’objectif de 5% de biocarburants demandé par Bruxelles pour 2010. En France en 2005, la surface agricole utilisée était de 30 millions d’hectares sur 55 millions de superficie totale du pays.
L’Agence européenne de l’environnement estime que pour la France la surface agricole qu’il sera nécessaire de mobiliser pour les biocarburants sera de 0,5 million d’hectares en 2010 et de 1 million ha en 2020. Cependant, en Angleterre, Goldman Sachs estime qu’il faudrait consacrer ¼ des terres cultivables du pays pour atteindre les objectifs de biocarburants de 2010. Aux Etats-Unis , George Bush a annoncé un objectif de produire 15% des carburants pour véhicules en biocarburants et la production explose. Les USA ont même annoncé une taxe pour freiner les importations d’éthanol brésilien pour favoriser leur production domestique, essentiellement à partir de maïs.
Vidéo : Reportage aux Etats-Unis sur les biocarburants Regarder la vidéo
Une certification pour les biocarburants en Europe
Selon une étude de l’Institute for European Environmental Policy, l’objectif de l’UE de produire et consommer 10% d’énergies renouvelables dans le domaine des transports d’ici 2020, soit 2 fois plus qu’en 2010, devrait mobiliser 70 000 km2, plus du double de la superficie de la Belgique.
Cela entraînerait, au plan mondial, à une émission de CO2 de 27 à 56 millions de tonnes supplémentaires. Au final, ces biocarburants de première génération (biodiesel, bioéthanol) produiraient de 81 à 167 % de gaz à effet de serre de plus que les carburants fossiles (pétrole, gaz) .
En France, les professionnels ont cherché à répondre à des critères de durabilité à travers l’action du SNPAA, Syndicat national des producteurs d’alcool agricole : en cherchant à faire la distinction entre bons et mauvais biocarburants, ils ont développé une certification qui garantit qu’ »aucune forêt n’a été abattue et qu’aucune zone humide n’a été séchée » pour les biocarburants européens. Mais cette certification est contestée faute de prendre en compte le changement indirect d’affectation des sols agricoles. Seuls les biocarburants de nouvelle génération à base de déchets végétaux ou de troisième génération (à partir de micro-algues) pourront vraiment échapper à ce reproche de détourner un potentiel de production alimentaire au profit des transports.
Les biocarburants de 1ère génération
- fabriqués à partir de colza, tournesol ou de palme. Le bioéthanol extrait de betterave ou de canne à sucre, de blé ou de maïs. Bilan environnemental peu flatteur et contesté car les plantations détournent les sols arables de la production agricole et donc contribueraient au déficit alimentaire mondial.
Les biocarburants de 2eme génération
- fabriqués à partir de déchets végétaux agricoles ou forestiers ou de toute matière végétale : bois, feuilles, paille, etc.
Les biocarburants de 3ème génération
- Ces biocarburants exploitent la capacité de certaines micro-algues à se reproduire à grande vitesse tout en produisant et accumulant des sucres et des huiles.
A lřéchelle des 20 prochaines années, force est de constater que les biocarburants actuels, éthanol et biodiesels, ne représenteront quřune étape transitoire. Lřéthanol possède un degré de réduction, et donc un contenu énergétique, trop faible, le biodiesel issu des plantes une productivité à lřhectare trop faible. Certes la production de ces deux agro carburants dits de 1ère génération est encore perfectible Ŕ et le sera Ŕ mais deux contraintes sous-tendent les recherches engagées et la prospective. Dřune part, celle dřaccroître la productivité à lřhectare sur des terres exploitées (déchets agroindustriels) et sur lřutilisation de nouveaux espaces non concurrentiels avec la production alimentaire (forêts, prairies et terres non utilisées), dřautre part celle de produire de nouvelles biomolécules Ŕ biosourcées Ŕ à contenu énergétique élevé « hydrocarbons like », le stade ultime étant la production dřhydrocarbures à partir de biomasse. En 2007, la société LS9 déclarait : « le meilleur substitut aux hydrocarbures est un autre hydrocarbure ». Nous ajoutons vert. A titre dřexemple, pour la série homologue des alcools, citons Ŕ en relatif Ŕ, avec une base 100 pour les hydrocarbures (degré de réduction maximal) le contenu énergétique du méthanol est de 54 %, celui de lřéthanol est de 73 %, celui du butanol de 95,6 %. En terme de contenu énergétique les esters méthyliques dřacides gras sont donc très corrects, le méthane et lřéthane présente également des pouvoirs calorifiques très élevés pour des émissions en CO2 environ 25 % plus faible que le gazole et lřessence.
Si la nature a mis des millions dřannées à convertir la biomasse en pétrole via le kérosène le challenge pour les technologues est de convertir la biomasse en pétrole en quelques heures.
La voie thermochimique couplant gazéification et procédés de type Fischer Tropsch (FT) et méthanation (BioSNG) est une voie dřaccès crédible pour peu que des perfectionnements technologiques soient apportés. Cřest une référence stratégique.
Dřautres voies dřaccès sont suivies par les biologistes, elles passent par la déconstruction des substances de réserve des plantes (amidon, fructosanes), des lignocelluloses (voie humide), leur hydrolyse en monomères puis lřobtention de molécules à contenu énergétique élevé par voie microbienne. Ces réactions de type dismutation sont très performantes sur le plan énergétique (rendement de 90 %pour la production biologique de bioéthanol, de 92 % pour la production de bio méthane).
Toutefois, lorsque ces molécules sont à lřétat dissous leur extraction entraîne un coût énergétique élevé. Outre lřobtention de molécules réduites les caractéristiques dřinsolubilité dans lřeau seront recherchées : volatilité, immiscibilité, précipitation ou flottabilité de solides. On pourra lire lřexcellent rapport : « Breaking the chemical and Engineering Barrier to Lignocellulosic Biofuels :Next generation Hydrocarbon Biorefineries » édité par lřUniversité de Massachussetts Amherst,2008 ainsi que J L Fortman et al. « bioalternatives to ethanol :pumping the microbial well, Trends in biotechnology,26,N°7 : 375 -381.
Citons, de manière réaliste, en ne considérant que des molécules développées en R et D industrielle par des sociétés, dans lřétat actuel de la technologie, 8 molécules « type » phares :
alcools isopropanol-Hanai T, Atsumi S and Liao JC, Appl.enviro Microbiol, 2007, 73 :7814-7816.- -n et iso butanol (un oxygène pour 4 C). Ces molécules sont les plus matures mais des recherches sont engagées sur des dřalcools supérieurs (Pentanol(s), Octanols(s), Phényl éthanol - Atsumi S, Hanai T &. Liao J C, Nature 2008, vol 451,86-89-.
Contrairement au n-butanol produit en métabolisme réductif lřiso butanol lřest par voie oxydative en modifiant les voies de dégradation des alpha céto acides (alpha céto valérates pour les butanols). La logique de développement est traitée en termes dřénergie et de synthons (Metex, Gévo, Butamax, Du Pont de Nemours).
Acides gras dřorigine microbienne à partir de substrats de première et seconde génération (en moyenne 1 oxygène pour 8 à 9 C), (Gevo, INSA LISBP) et algale (laboratoires GEPEA, CEA-LB3M… et explosion de « starts ups » associées ou non à des sociétés « global players ». Ces acides gras peuvent être convertis en méthyl ester dřacides gras (MEFA) (le biodiésel traditionnel) ou traités par hydrocracking et métathèse en alcool gras (1 oxygène pour 12 à 18 atomes de C) ou dřautres molécules (société Ineos biol par exemple). Notons ici que les lipides dřorigines animales, algales, végétales et microbiennes peuvent servir de néo matières premières pour des conversions réductives catalytiques accroissant leur potentiel biofuels et faisant le pont entre les bio-raffineries et la pétrochimie.
Isoprène (hydrocarbure): stratégie synthons puis production dřénergie, (Genencor-Danisco devenu Du Pont de Nemours)/Goodyear), Harada H, Misawa N, Appl Microbiol Biotechnol 2009 :84/1021-103
Isobutène (hydrocarbure), stratégie synthons puis énergie (Global BioEnergies Evry Fr Ŕ P Marlière et M Delcourt -), autres hydrocarbures alcéniques (lycopène), Alper, H. & Stephanopoulos, G. Appl. Microbiol. Biotechnol. (2008) : 78, 801–810
farnesène (hydrocarbure) ; Martin VJJ, WithersST, Newman JD, Kiesiling JD ; Nat Biotech - 2003,21 :796 -802, stratégie biofuels jet et biodiesel (Amyris)
Ester éthylique dřacides gras EEAG, (en moyenne 1 oxygène pour 8 à 9 C), excrétés directement par le microorganisme « reconstruit et reprogrammé » (LS9/Shell)
Paraffines (hydrocarbure), pour injection directe dans le réformage catalytique pétrolier, (Synthetic Biology).
A part cette dernière société qui revendique lřutilisation de la biologie synthétique, tous les exemples cités ci-dessus ont eu recours à lřexploitation de la biodiversité (et de la connaissance des génomes), à la maitrise totale et parfaite des voies métaboliques de microorganismes hôtes (préférentiellement E.coli, Saccharomyces cerevisiae, mais aussi aux voies dřaccès aux métabolites dans le système vivant dřorigine (microorganismes, plantes…).
Les génies génétique et métabolique sont deux technologies essentielles pour construire des souches à potentiels.
(source : http://energie.cnrs.fr/2011/ATELIERS2011.pdf)
Les biocarburants de 4ème génération
pas du tout au point, ces biocarburants seraient produits à partir de micro-organismes génétiquement modifiés.
L'observatoire des biocarburants
- Pierre-Franck Chevet, directeur général de l’énergie et du climat, annoncé fin septembre 2011 l’installation de l’Observatoire des biocarburants.
L’Observatoire des biocarburants a vocation à suivre le développement des actions engagées dans ce domaine pour atteindre l'objectif fixé pour 2020. Pour cela, il mettra en place des indicateurs de suivi, analysera les bilans et identifiera les causes des éventuels décalages avec les prévisions de développement. Il pourra proposer des pistes permettant de compenser les déficits éventuels ou d'améliorer l'efficacité des dispositifs en place.
Le flop des biocarburants en France
- Avec le Grenelle environnement, la France met en place une stratégie ambitieuse de développement des énergies renouvelables sur son territoire. L’objectif est d'atteindre 23% d’énergies renouvelables dans la consommation totale d’énergie d'ici 2020.
Dans le secteur des transports, un objectif de consommation de 10% d'énergies renouvelables a été fixé à l’horizon 2020. Les biocarburants apporteront la contribution la plus importante à cet objectif, avec en complément du biogaz ou de l’électricité verte par exemple. En 2010, l'objectif d'incorporation de biocarburants dans les carburants de référence, fixé à 7 % (en énergie), est presque atteint.
La France a élaboré et transmis à la Commission européenne son plan national d'action qui définit, pour la période 2010-2020, les trajectoires prévisionnelles de développement des différentes formes d'énergies renouvelables pour atteindre l’objectif de 23%.
Voir aussi sur les biocarburants et carburants
[ Bioéthanol ] [ GPL ] [ Hydrogène ]