Ressources énergétiques et environnement Conversion énergétique de la biomasse Laurent Catoire Maître de conférences à l’Université d’Orléans, Département de Chimie ICARE, CNRS Orléans Cours L4CI-01 : Thématiques actuelles en chimie de l’environnement 1 SOMMAIRE LES SOURCES D’ENERGIE ENERGIES FOSSILES pétrole brut gaz naturel charbons énergies fossiles non conventionnelles PROBLEMATIQUES LIEES A LA COMBUSTION pollution atmosphérique effet de serre additionnel nouveaux combustibles, nouveaux carburants CONVERSION ENERGETIQUE DE LA BIOMASSE biocarburants biogaz biooil dihydrogène-biohydrogène CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES 2 LES SOURCES D’ENERGIE 3 LES SOURCES D’ENERGIE • Le soleil • Les énergies fossiles – le charbon – le pétrole – le gaz naturel • Electricité primaire – l’énergie hydraulique – le nucléaire • Autres sources – Les combustibles traditionnels (bois, tourbe) – la biomasse et les déchets – l’énergie éolienne – l’énergie des vagues et des marées – la géothermie 4 LES SOURCES D’ENERGIE Chauffage Carburants Electricités (primaire et secondaire) 5 Evolution technologique et consommation d’énergie Consommation journalière (millions de barils EP) 1860 : 8 1920 : 20 1980 : 150 2000 : 200 2030 : 400 Population : 1860 : ≈ 1 Milliard 1920 : 2 1980 : 5 2000 : 6 2030 : 8 6 ENERGIES FOSSILES 7 ENERGIES FOSSILES 81% des besoins énergétiques mondiaux en 2000 87% des besoins énergétiques mondiaux en 2030 pétrole : gaz naturel : charbons : Nucléaire : Hydroélectricité et géothermie : Solaire et éolienne : Biomasse (bois et déchets) : 35% (34%) 22% (25%) 24% (28%) 7% (5%) 3% (2%) 0,2% (0,4%) ≈ 10% ( ≈ 5%) Ces prévisions sont basées sur un baril à 21 $ entre 2003 et 2010 et 8 à 35 $ en 2030.... Pétrole brut o distillé pour l’obtention : de carburants liquides (GPL, essence, gazole, kérosène, fioul) de coupes pétrolières utilisées dans l’industrie chimique (colles, vernis, peintures, textiles, médicaments, méthanol, hydrogène, asphalte, pesticides, engrais, etc…) o Utilisé pour la production d’électricité (fioul) dans un grand nombre de pays o industrialisation rapide de certains pays (Chine, Inde, etc.) : doublement de la demande énergétique primaire d’ici à 2030 o accroissement démographique o élévation du niveau de vie : doublement du PIB par habitant d’ici à 2030 9 o augmentation du nombre de véhicules Pétrole brut Mais réserves prouvées de pétrole brut conventionnel consommées en ≈ 2045 en fait probablement avant 10 Découvertes et production de pétrole brut Une grande inconnue : pic de production Découvertes Gb/a Discovery Production Production 50 45 40 Gb/an 35 30 25 20 15 10 5 19 50 19 55 19 60 19 65 19 70 19 75 19 80 19 85 19 90 19 95 20 00 20 05 0 http://cordis.europa.eu/fp6/dc/index.cfm?fuseaction=UserSite.FP6HomePage 11 Pétrole brut 950 milliards de barils extraits jusqu’ici mais controverses sur les réserves globales récupérables : ≈ 3000 ou ≈ 2000 milliards de barils ? Pic entre 2030 et 2040, 2020 et 2030 ou pic entre 2010-2020 ? Au-delà : augmentation continue du prix du pétrole Choc pétrolier de pénurie : vrai choc pétrolier 12 Pétrole brut Autres sources d’énergies Fossiles non conventionnelles (schistes bitumineux, sables asphaltiques, huiles lourdes, hydrates de méthane) Renouvelables non chimiques Fossiles conventionnelles (gaz naturel, charbons) Renouvelables Chimiques, Biologiques, Biochimiques 13 Gaz Naturel (GN) o mélange gazeux composé essentiellement de méthane o ressources abondantes o utilisations chauffage production d’électricité (14% aux USA) conversion possible en carburants liquides : procédés Fischer-Tropsch H2 O CH4 → CO + 3 H2 Cat. Fe ou Co P = 30 bar T = 300 K Carburants liquides o combustion du GN généralement moins polluante que celle des carburants liquides Moteur à gaz GNV 14 Gaz Naturel (GN) mais épuisement prévu ≈ 2070 (d’après réserves prouvées de GN conventionnel) Date du pic de production : incertain 2020 car utilisation pour la production d’électricité (aux dépends du pétrole et des charbons) En fait le pic de production du GN devrait suivre de quelques années celui du pétrole. Exemple USA : pétrole 1970, gaz naturel 1971. 15 Charbons o solide composé essentiellement de carbone + minéraux + composés organiques selon degré de houillification Tourbe ; lignite ; houille ; anthracite ; graphite o ressources abondantes mais exploitation délaissée en Europe o utilisations sidérurgie chauffage production d’électricité (55% aux USA, 70% en Chine) conversion possible en carburants liquides : Gazéification du charbon puis procédés Fischer-Tropsch (FT) Charbon → CO + H2 → Carburants liquides o combustion du charbon généralement plus polluante que celle du gaz naturel GN préféré o 250 ans de réserves prouvées Réactivation probable de la filière 16 Energies fossiles non conventionnelles o ressources très abondantes Exemples : schistes bitumineux (USA) : 2000 milliards de barils de pétrole hydrates de méthane : 9000 ans de consommation en gaz naturel Inconvénients : - coûts - sources d’énergies très polluantes Influence sur l’effet de serre additionnel or les modèles qui prédisent le réchauffement climatique tablent sur une consommation des énergies fossiles conventionnelles jusqu’en 2050... 17 Energies fossiles et combustion : problématiques UV Couche d’ozone Climat Qualité de l’air 18 Energies fossiles et combustion : Problématiques Combustion Espèces soufrées CO2 NOx O3 Effet de serre additionnel Modifications du climat COV HC suies Pluies acides Pollution chimique troposphérique et stratosphérique Effets sur la santé Effets sur la couche d’ozone 19 Energies fossiles, combustion et pollution atmosphérique Exposition Populations rurales Personnes âgées Nourrissons Malades Populations urbaines et péri-urbaines 20 Energies fossiles, combustion et pollution atmosphérique Conséquences Surmortalité Maux de têtes Nausées Problèmes respiratoires Cancers Allergies 21 ENERGIES FOSSILES : Formation du NO équation globale CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O insuffisante Cinétique chimique, chimie de la combustion, thermodynamique chimique, mécanique des fluides, thermique : mécanismes cinétiques détaillés Plusieurs voies de formation selon les conditions de T, P et composition o NO thermique o NO précoce N2 + O• <=> NO + N• N• + O2 <=> NO + O• CH• + N2 <=> HCN + N → …→ NO N2 o Fuel NO Azote organique → HCN, HNCO, → NH3, NH2, NH, N → NO NCO, CN N2 ENERGIES FOSSILES : Formation du formaldéhyde (méthanal) CH4 + O2 <=> CH3• + HO2 • (basse température) CH4 + M <=> CH3• + H• + M (haute température) CH3• + O2 <=> CH2O + OH• Formation du dioxyde de carbone CH2O + M <=> HCO• + H + M HCO• + M <=> CO + H• + M CO + OH• <=> CO2 + H• 23 Energies fossiles et effet de serre additionnel 24 Energies fossiles et effet de serre additionnel Pouvoir de réchauffement global (PRG) des gaz à effet de serre Gaz CO2 CH4 N2O PRG à 100 ans 1 23 296 25 Influence des activités humaines sur l’atmosphère Concentration en CO2 Concentration en N2O Concentration en CH4 26 Variations de température à la surface de la Terre Les 140 dernières années Les 1000 dernières années 27 Energies fossiles et effet de serre Les six années les plus chaudes depuis 1890 : 2006 2005 1998 2002 2003 2004 28 Energies fossiles, combustion et effet de serre Conséquences pour la France en 2050 Biodiversité : Température : + 2°C Chêne vert Hêtre Hivers pluvieux : +13% ? Canicules plus longues 1960-1989 : 3 jours Etés secs : - 20% 2050 : 10 à 20 jours 29 Energies fossiles, combustion et effet de serre Conséquences pour le en 2050 Température : + 4°C Submersion : Deltas et îles Fonte glaciers Groenland Désertification : et banquise Afrique Forêt amazonienne : Puits de carbone ? Ralentissement Moussons ? Gulf Stream Couche d’ozone ? 30 Réduction des émissions : temps d’atteinte à l’équilibre Expansion due à la fonte des glaces : millénaires Expansion thermique : siècles à millénaires Stabilisation T : quelques siècles Stabilisation CO2 : 100-300 ans Emissions de CO2 La concentration en CO2, le niveau de la mer, la température augmenteront longtemps après la réduction des émissions en CO2 31 32 SITUATION ENERGETIQUE EN FRANCE 33 SITUATION EN FRANCE Production d’électricité par EDF en 2003 (93%) Autres producteurs : Fossiles : 70% Renouvelables : 30% France : Fossiles : 9% Renouvelables : 11% USA : charbons (55%), gaz naturel (14%), nucléaire (20%) Chine : charbons (70%) SITUATION EN FRANCE Nucléaire (80%) Solaire (0,02%) Hydraulique (grande et petite) (11%) Biomasse (0,2%) Eolien (0,08%) Electricité + Chauffage Géothermique Energie des marées Energies des vagues CARBURANTS ??? 35 ENERGIES RENOUVELABLES CHIMIQUES CONVERSION ENERGETIQUE DE LA BIOMASSE 36 Les biocarburants Thématique « ancienne » : Diesel (1900) Avantages Sécurité d’approvisionnement Environnement Moins d’émissions polluantes Réduction de l’effet de serre Agriculture Aménagement du territoire Débouchés 37 Les biocarburants Inconvénients Coûts mais coûts identiques aux carburants fossiles avec un pétrole à 75 dollars le baril 38 Les biocarburants Issus de la biomasse Carburants (de substitution, co-carburant, additif): ¾ Moteur DIESEL (Huiles végétales, EMHV esters méthyliques d’huiles végétales, EEHV) ¾ Moteur ESSENCE (Éthanol, ETBE) Seules énergies renouvelables directement disponibles sous forme liquide 39 Les biocarburants Matières premières : produits de réserve Plantes sucrières et plantes amylacées BIOETHANOL Plantes oléagineuses BIODIESEL Betteraves Colza Canne à sucre Tournesol Erable à sucre Blé Soja Arachide Lin Maïs Olivier Pommes de terre Palmier à huile Cocotier Les biocarburants Obtention de bioéthanol à partir des plantes amylacées Plantes amylacées Amidon Hydrolyse enzymatique α-amylase amyloglucosidase Glucose OH O HO HO C6H12O6 Fermentation anaérobie Saccharomyces cerevisiae OH OH 2 C2H5OH + 2 CO2 3,5 tonnes de blé produisent 1 tonne d’éthanol 1 hectare de céréales produit 2,5 tonnes d’éthanol 41 Les biocarburants Obtention d’éthanol à partir des plantes sucrières OH Plantes sucrières saccharose O OH OH O O OH OH C12H22O11 + H2O Fermentation anaérobie Catalyse enzymatique OH OH HO 4 C2H5OH + 4 CO2 12,6 tonnes de betteraves produisent 1 tonne d’éthanol 1 hectare de betteraves produit 5,8 tonnes d’éthanol 1 hectare de betteraves produit 2 tep/an 42 Les biocarburants Obtention de biodiesel à partir des plantes oléagineuses Plantes oléagineuses trituration Huile végétale : triglycérides O R O R O O R : chaîne alkyle (C6-C30) grasse saturée, monoinsaturée ou polyinsaturée O R O 43 Les biocarburants Obtention de biodiesel à partir des plantes oléagineuses O CH3 OH Acide palmitique O OH H3C Acide oléique OH H3C O Acide arachidonique Les biocarburants Obtention de biodiesel à partir des plantes oléagineuses Composition en acides gras des huiles d'olive Acide gras C16:0 C16:1 C18:0 C18:1 C18:1 C18:2 C18:3 C20:0 C20:1 Dénomination Acide palmitique Acide palmitoléique Acide stéarique Acide oléique Acide vaccénique Acide linoléique Acide linolénique Acide arachidique Acide gondoïque % 11,8 0,81 2,2 72,6 2,3 7,9 0,65 0,37 0,28 45 Les biocarburants Obtention de biodiesel à partir des plantes oléagineuses : transestérification Huile végétale : triglycérides O O R O R O O O R Cat. + 3 CH3OH 50°C Patm O 3 CH3 R O + OH HO 46 OH Les biocarburants Esters méthyliques (EMHV) 2,55 tonnes de graines de colza 1 tonne d’huile 1000 litres d’ester Autres « biocarburants » : ETBE et MTBE CH3 H3C CH3 O CH3 47 Biocarburants : bilan environnemental Remplacer un litre d’essence par : un litre d’éthanol - 75 % gaz à effet de serre un litre d’ETBE - 31 % gaz à effet de serre Remplacer un litre de gazole par : un litre d’EMHV - 80 % gaz à effet de serre 48 Les biocarburants et la politique énergétique CODE DE L'ENVIRONNEMENT (Partie Législative) Article L224-3 L'incorporation de composés oxygénés, notamment d'origine agricole, dans les carburants pétroliers destinés à la circulation automobile est encouragée dans le cadre de la lutte contre la pollution de l'air. Cette incorporation fait l'objet, dans le cadre défini sur le plan communautaire, et sur proposition du ministre chargé de l'énergie et du ministre chargé de l'environnement, d'opérations pilotes dans les zones urbaines sensibles, dont la pollution est caractérisée par des taux élevés d'oxyde de carbone, d'imbrûlés et d'ozone atmosphérique. Les conditions générales de mise en oeuvre de ces opérations pilotes sont définies par décret en Conseil d'Etat. 49 Les biocarburants et la politique énergétique Loi n° 2006-11 du 5 janvier 2006 d’orientation agricole Article 48 La dernière phrase du quatorzième alinéa de l’article 4 de la loi no 2005-781 du 13 juillet 2005 de programme fixant les orientations de la politique énergétique est ainsi rédigée : «A cette fin, l’Etat crée, notamment par l’agrément de capacités de production nouvelles, les conditions permettant de porter à 5,75 % au 31 décembre 2008, à 7 % au 31 décembre 2010 et à 10 % au 31 décembre 2015 la part des biocarburants et des autres carburants renouvelables dans la teneur énergétique de la quantité totale d’essence et de gazole mise en vente sur le marché national à des fins de transport.» 50 Sites Ethanol/ETBE et DIESTER en France ROBBE Compiègne 60 500 t Diester Nord ETBE Dunkerque 65 000 t d’ETBE Ouest ETBE Gonfreville 70 000 t d’ETBE NOVAOL Verdun 40 000 t Diester DICO Rouen 180 000 t Diester + 70 000 t TOTAL Feyzin 84 000 t d’ETBE COGNIS Boussens 33 000 t Diester LYONDELL Fos sur Mer Potentiel 200 000 t d’ETBE 51 Sites Ethanol/ETBE et DIESTER existants ou en projet dans l’UE en 2003 AGROETANOL Norrköping 500 000 hl d’éthanol ECOBRANSLE Skive 6 000 t Biodiesel NEDALCO 300 000 hl d’éthanol Pour 50 000 t d’ETBE SISAS Feluy 80 000 t Biodiesel 13 unités d’estérification 1 000 000 t Biodiesel Projet Südzucker 2 600 000 hl éthanol RME Bruck 20 000 t Biodiesel Projet italien Ethanol ETBE BIOETHANOL GALICIA Texeiro 1 260 000 hl d’éthanol SISAS Milan 80 000 t Biodiesel BIOCARBURANTES deCASTILLA Y LEON Balbilafuente 2 000 000 hl d’éthanol Biodiesel International 18 000 t Biodiesel ECOCARBURANTES Cartagène 1 000 000 hl d’éthanol 52 Bioethanol : Situation 2003 Unités existantes o FRANCE : 91 000 tonnes 1,15 Mhl o ESPAGNE : 176 000 tonnes 2,2 Mhl 40 000 tonnes 0,5 Mhl o SUEDE : En construction o ESPAGNE : 160 000 tonnes 2 Mhl 6 Mhl Projets o FRANCE : o ITALIE: o ALLEMAGNE : 480 000 tonnes 24 000 tonnes 0,3 Mhl 210 000 tonnes 2,6 Mhl 53 Biodiesel : Situation 2003 o FRANCE : 310 000 tonnes o ALLEMAGNE : 700 000 tonnes o ITALIE : 200 000 tonnes o AUTRICHE : 40 000 tonnes o DANEMARK : 20 000 tonnes o ROYAUME UNI : 7 000 tonnes o SUEDE : 800 tonnes TOTAL 1 277 800 tonnes Avec nouveaux projets à moyen terme : 2,5 et 3 millions tonnes 54 Biocarburants : carburants de substitution ? Filière Culture initiale Poids brut de carburant obtenu par hectare (tonnes) tep/ tonne Energie brute produite par ha (tep) Nombre de km2 mobilisés pour produire 50 Mtep en % du territoire français en % des SAU 1997 Huile Colza 1,37 1 1,37 365000 66% 122% Huile Tournesol 1,06 1 1,06 472000 86% 157% Ethanol Betterave 5,78 0,69 3,98 125500 23% 42% Ethanol Blé 2,55 0,69 1,76 284000 52% 95% source : rapport DIREM/ADEME sur les biocarburants, 2003 55 Biocarburants et OGM o modifications des groupements alkyles des triglycérides Esters méthyliques à chaînes plus courtes (C8 – C12) o augmentation du rendement en huile des graines 43 % en masse pour les graines de colza 75 % pour les graines de colzas transgéniques 56 Conversion de la biomasse lignocellulosique Matières premières : produits de paroi bois, déchets forestiers, déchets agricoles 40 à 50 % de la masse du bois sec : cellulose 57 Conversion de la biomasse lignocellulosique 25 à 35 % de la masse du bois sec : hémicelluloses Glucose Galactose Xylose Arabinose Mannose Acide glucuronique 58 Conversion de la biomasse lignocellulosique 16 à 33 % de la masse du bois sec : lignine 59 Conversion de la biomasse lignocellulosique 60 Conversion thermochimique de la biomasse lignocellulosique : Bio-oil pyrolyse lente ≈ 600°C dT/dt faible 5-30 min pyrolyse rapide trempe ≈ 650°C dT/dt très élevée Bio-oil Huile + « charbons » + gaz Chauffage industriel Electricité (Autres conversions thermochimiques : gazéification) 0,5-5 s CO + H2 FT 61 Carburants Conversion microbiologique de la biomasse lignocellulosique : Ethanol Délignification par enzymes lignolytiques Enzymes : cellulases + hémicellulases Trichoderma reesei Pycnoporus cinnabarinus Levures Saccharomyces Bactéries 62 cerevisiae Thermoanaerobacter ethanolicus Méthanisation de la biomasse : Biogaz Méthanisation de la biomasse (déchets végétaux, OM, boues, lisiers) dans un digesteur : épuration Fermentation anaérobie des matières organiques pendant 1 à 3 semaines 55 à 80 % de méthane 20 à 45 % de CO2 « Gaz Naturel » FT Carburants liquides GNV 63 Méthanisation de la biomasse : Biogaz Bactéries hydrolytiques Bactéries anaérobies Bactéries acétogènes Bactéries méthanogènes 64 65 66 Dihydrogène NH3 Importance industrielle du dihydrogène Production du dihydrogène CH3OH Oxydation partielle des hydrocarbures Gazéification du charbon Pyrolyse du gaz naturel Vaporeformage du gaz naturel Electrolyse de l’eau 67 Dihydrogène Autres sources de dihydrogène Pyrolyse ou gazéification de la biomasse (déchets végétaux) Photolyse de l’eau Pyrolyse et vaporéformage de déchets plastiques Procédés biologiques BIOHYDROGENE 68 Biohydrogène Biophotolyse de l’eau à l’aide d’algues et de cyanobactéries hν O2 + 2 H2 2 H2O hydrogénases sources de biohydrogène Photodecomposition de composés organiques par des bactéries hν 2 CH COOH + 4 H O 3 2 nitrogénases 4 CO2 + 8 H2 Fermentation de composés organiques C6H12O6 + 2 H2O bactéries 2 CH3COOH + 2 CO2 + 4 H2 69 CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES 70 Urgences • Limiter le changement climatique • Subvenir à nos besoins énergétiques 71 Les sources d’énergie d’avenir ? – l’énergie hydraulique : peu de sites encore disponibles – le nucléaire • Pourra-t-on s’en passer malgré ses inconvénients graves ? • La FUSION : 2050 ? – la biomasse ? • Peut compenser très partiellement le pétrole – l’énergie éolienne? • Pourrait atteindre quelques % de la consommation totale d’énergie – l’énergie des vagues et des marées 72 – la géothermie Les sources d’énergie d’avenir ? – le solaire ? • En théorie, en France, les besoins en électricité pourraient être couverts par l’énergie solaire – dihydrogène/biohydrogène • Problèmes : production de H2, son stockage, la sûreté d’utilisation (domaine d’inflammabilité très large, énergie minimale d’inflammation très faible, diffusion aisée) 73 La solution réside en : - un panachage des sources énergétiques - une volonté politique forte en faveur des énergies renouvelables - une prise de conscience de la population Les atouts de la France : - dépendance aux énergies fossiles moins importante - taxes sur les produits pétroliers élevées - surface agricole utilisée importante et climat tempéré - potentiel éolien important - ensoleillement suffisant - Manche, Atlantique, Méditerranée - géothermie 74
