Les limites des biocarburants de première génération

En 2005, un rapport-bilan de la politique de soutien aux biocarburants a montré des résultats économiques mitigés (Prévot et al., 2005). Cette étude montre en effet que depuis de nombreuses années l’exonération de la TIC compensait les producteurs bien au-delà des surcoûts de production révélant une politique bien coûteuse. A ceci s’ajoute la faible création d’emplois dans le secteur agricole qui s’apparentait en fait plus à un maintien du nombre d’emplois qu’à une création pure et simple d’emplois en zones rurales prévue initialement (Prévot et al., 2005).
Au bilan économique plus que moyen s’ajoute un bilan environnemental très controversé.
De récentes études réalisées de par le monde (ADEME 2010) annoncent une réduction d’émissions de GES allant de 30 à 60% par rapport à leurs équivalents fossiles alors que les prévisions initiales tablaient sur une réduction de 60 à 80% avant 2002. Pour certaines filières il y même des incertitudes sur l’existence d’un vrai gain environnemental. En fait aucun biocarburant n’est véritablement « vert » puisqu’ils sont tous encore mélangés à la pompe avec les carburants d’origine fossile qu’ils sont censés remplacer. C’est surtout la phase de production qui pose problème. Pour avoir des rendements suffisants, il est nécessaire d’avoir des sols fertiles et de faire de l’agriculture intensive. Ceci s’accompagne inévitablement de l’utilisation d’engrais azotés qui conduit à la formation de protoxyde d’azote 200 fois plus « réchauffant » que le CO2 ! Ainsi, même si les gaz à effet de serre sont globalement réduits par rapport à l’utilisation de carburants fossiles, les biocarburants ne produisent au final que 1,5 à 5L de biocarburants pour 1L de pétrole fossile utilisé (Fery, 2011).
En fait, seule la production d’éthanol à partir de cannes à sucre au Brésil fait l’unanimité en présentant un bilan environnemental positif à condition bien sûr qu’elle n’engendre pas un changement d’affectation des terres. La canne à sucre, cultivée sur 1% du territoire brésilien, comblerait 50% de la consommation brésilienne de carburants. Les impacts sur la biodiversité, les sols et la ressource en eau d’une intensification des cultures énergétiques ne sont également pas négligeables (FAO, 2008).
Des limites apparaissent également au niveau géopolitique. L’objectif fixé par l’Europe d’accroître son indépendance énergétique en limitant les importations d’énergies fossiles semble délicat à atteindre. Une substitution importante de ce type d’énergie par des biocarburants de première génération nécessiterait en effet une quantité de terres largement supérieure aux surfaces disponibles (Prévot et al., 2005). D’autre part, la substitution des cultures alimentaires en cultures énergétiques implique une compétition directe entre ces deux modes de cultures possibles. Le développement et l’expansion du secteur des biocarburants contribuent alors à faire monter le prix des denrées alimentaires à moyen terme et à accroître l’insécurité alimentaire des catégories de population les plus défavorisées des pays en développement (OCDE, 2008).
Finalement, le bilan mitigé des biocarburants de première génération a contribué à reporter tous les espoirs vers ceux de seconde génération. De meilleurs bilans environnementaux, des rendements plus élevés et surtout la non compétition entre usage alimentaire et non alimentaire des produits agricoles sont les principaux avantages attendus.

LES BIOCARBURANTS DE SECONDE GENERATION COMME ALTERNATIVE A L’UTILISATION DES CARBURANTS D’ORIGINE FOSSILE

Deux grandes filières de production de biocarburants de seconde génération sont envisagées. La voie biochimique qui permet d’obtenir du bioéthanol selon un procédé relativement proche de celui utilisé dans la fabrication de bioéthanol de première génération et la voie thermochimique permettant d’obtenir du gazole de synthèse, du kérosène, du méthanol, de l’éthanol ou encore du diméthy-ether (DME). Les procédés de synthèse y sont différents de ceux utilisés dans la production de biogazole de première génération.

Les types de biomasses envisagés et les problèmes liés

Dans le domaine énergétique, la biomasse se définit comme l’ensemble des matières d’origine végétale, animale ou fongique pouvant devenir source d’énergie. Cependant, seule la biomasse végétale, parce qu’elle contient de la cellulose, est adaptée à la production de biocarburants de seconde génération. Les trois principales filières d’approvisionnement en biomasse sont la filière des déchets industriels, des résidus agricoles et sylvicoles et des cultures énergétiques dédiées. De manière à ne pas retomber sur les écueils soulevés par la production des biocarburants de première génération, cette dernière filière devra être utilisée en dernier recours. La quantité importante de la ressource et son faible coût sont des avantages indéniables au développement de ce type de carburants.
Dans la filière « déchets industriels » ce sont surtout les résidus provenant de la transformation du bois et les co-produits des industries agro-alimentaires qui peuvent être mobilisés. Cette ressource est facilement mobilisable et pour partie utilisée par d’autres filières déjà matures comme les filières bois énergie ou papetières. La mobilisation de cette ressource pour la production de biocarburants entrainerait donc une concurrence inévitable entre les filières qui peut, à plus ou moins long terme, être préjudiciable. En fait, dans ces déchets industriels seuls les bois de rebus ne sont pas utilisés. Mais à cause de leur très grande dispersion et de leur pollution (une partie de ces bois est traitée chimiquement) cela nécessiterait la mise en place d’un système de collecte et de traitement coûteux qui n’existe pas à l’heure actuelle. Il est cependant intéressant de noter que des recherches ont lieu dans ce domaine. Girods (2008) a ainsi étudié la valorisation énergétique des déchets de panneau de particules. Grâce à un procédé multi-étagé, l’azote présent dans les colles est dans un premier temps éliminé par pyrolyse. Le produit alors formé est converti en un gaz riche en hydrogène et monoxyde de carbone utilisable dans divers procédés de valorisation énergétique.
La filière des résidus agricole et sylvicole représente une ressource disponible de 15,7 millions de tonnes de matière sèche. Globalement, les résidus agricoles sont constitués de toute la matière végétale qui est laissée sur le sol après la récolte (paille de céréales, cannes de maïs…), cela représente 6.6 millions de tonnes disponibles (Departe, 2010). Les résidus forestiers quant à eux sont essentiellement constitués de résidus dits « hors forêt », majoritairement issus de l’élagage de haies ou d’arbres isolés, et de résidus forestiers (rémanents, bois d’éclaircie), cela représente 9,1 millions de tonnes disponibles (Departe, 2010). Théoriquement, cette filière permettrait la production de 2,7 Mtep de biocarburant si ces résidus étaient utilisés en totalité. Mais compte tenu des objectifs en terme de biocarburants fixés pour 2020 et en faisant l’hypothèse que les quantités de biocarburants de première génération n’augmenteront pas, les gisements en résidus agricole et sylvicole ne suffiront pas. La mise en place de cultures énergétiques dédiées semble donc inévitable et nécessaire.

La voie thermochimique

La voie thermochimique de production de biocarburants de seconde génération est composée de deux grandes étapes : une étape de gazéification de la biomasse suivie d’une synthèse du carburant à partir du gaz obtenu. A partir du gaz obtenu deux voies de synthèse de carburant sont possibles, elles permettent d’obtenir des carburants gazeux d’une part (DME, méthanol et éthanol) et d’autre part des carburants liquides (diesel et kérosène). Alors que les carburants gazeux ne peuvent pas encore être utilisés dans les moteurs classiques, la voie la plus prometteuse est celle de la production de gazole par la voie liquide dite BtL (Biomass to Liquids). Elle présente l’énorme avantage de produire du gazole directement compatible avec les moteurs diesel actuels et de nécessiter de plus faibles investissements dans les systèmes de distribution. C’est cette voie qui est présentée dans ce travail.
La figure I-3 présente les deux grands procédés de production de biogazole de seconde génération. Globalement, ces procédés suivent les mêmes étapes. Ils ne diffèrent que par le type de prétraitement de la biomasse et par la source énergétique utilisée pour la production du dihydrogène nécessaire dans l’étape d’ajustement du ratio H2/CO.

Le prétraitement de la biomasse

La biomasse est une ressource aux propriétés variables, dispersée et énergétiquement peu concentrée (cf. § 1.3.1). Il apparaît donc nécessaire de la transformer en un produit intermédiaire mieux adapté à sa transformation en biocarburants. Plus précisément il s’agit d’obtenir un produit homogène, dense énergétiquement, bien adapté au transport et à l’alimentation sous pression des gazéifieurs. Afin de parvenir à ces objectifs, deux types de prétraitement sont envisagés : la pyrolyse rapide et la torréfaction.

La pyrolyse rapide

La biomasse qui a été préalablement séchée et broyée subit une étape de pyrolyse rapide (température de 500°C pendant quelques secondes) qui conduit à un produit intermédiaire (slurry) formé d’une biohuile, de particules de charbon en suspension et d’un mélange de gaz (CO2, CO, H2, CH4…) dans des proportions moindres. Les biohuiles sont d’un aspect comparable au pétrole et contiennent des centaines de composés chimiques en proportions variables (phénols, sucres, alcools, acides organiques, composés aromatiques…). Ce sont elles qui sont directement injectées dans les gazéifieurs. Le rendement énergétique de cette réaction est d’environ 75% (His, 2007).

LIMITES, FAISABILITE ET INCERTITUDES DES BIOCARBURANTS DE SECONDE GENERATION

A l’heure actuelle les biocarburants de seconde génération sont encore au stade de la recherche et leur production commerciale n’est pas attendue avant l’horizon 2020. Un travail de recherche important est actuellement fourni pour lever les derniers verrous technologiques et des pilotes industriels sont en voie de construction. Cette étape est indispensable avant une production commerciale. Lancé en 2010 le projet BioTfueL vise ainsi à développer une chaîne de production de biocarburants de 2ème génération de type gazole et kérosène. Il rassemble des organismes de R&D (IFP Energies nouvelles et le CEA) et des industriels (Axens, Sofiprotéol, Total et Uhde). Un démonstrateur BtL (« Biomass to Liquid ») de production de biocarburants de 2ème génération est également en développement sur le site de Bure-Saudron (Meuse). En phase d’étude depuis plusieurs années, son exploitation est annoncée sur 20 ans à partir de 2015.
Cependant, malgré un développement encore peu important, certaines études soulèvent déjà les premières limites à une utilisation massive des biocarburants de seconde génération. Les technologies, encore éloignées du stade commercial, rendent les coûts de production élevés. Associée à une concurrence accrue entre les différentes filières de valorisation de la matière ligno-cellulosique des plantes (industries papetière, industries de la trituration…), l’utilisation des biocarburants de seconde génération est peu viable à l’heure actuelle sur un plan économique. Les limites ne sont pas qu’économiques puisque, sur un plan environnemental, des doutes émergent. Même si sur un plan « bilan carbone » l’utilisation de ce type de biocarburants est a priori bonne, d’un point de vue « biodiversité » les premiers bilans semblent en revanche plutôt mitigés. En effet, une utilisation incontrôlée de ce type de carburants entraînerait des prélèvements forestiers bien trop importants qui influenceraient considérablement la typologie des sols et de la biodiversité forestière. Cacot et al. (2006) ont réalisé une étude basée sur l’analyse des chantiers bois énergie en France et proposent des techniques sylvicoles simples intégrant la récolte des rémanents destinés à la filière bois énergie et qui s’inscrivent dans le cadre d’une gestion durable de la forêt. A partir de critères simples de terrain, ces auteurs évaluent ainsi la sensibilité des sols à la récolte de rémanents et proposent des moyens techniques à mettre en œuvre lors de la récolte pour préserver la fertilité des sols.

DE L’ARBRE A LA MOLECULE

Structure anatomique

Le bois est un ensemble de tissus à parois lignifiées. Sur l’arbre vivant il remplit de nombreuses fonctions allant de la conduction de la sève jusqu’au soutien mécanique en passant par le stockage, la restitution, l’élaboration et la transformation chimique de substances. Les arbres grandissent et le bois se forme par divisions et différentiation de cellules nouvelles. Les cellules dites méristématiques forment des tissus (méristème) que l’on retrouve dans l’arbre sous deux formes. Les premiers sont les méristèmes apicaux situés à l’extrémité des racines et dans les bourgeons de la tige et des rameaux. Ils sont responsables de la croissance en hauteur de l’arbre et par différentiation des cellules méristématiques, seront à l’origine de l’épiderme, du xylème primaire et du phloème primaire. Les seconds sont des méristèmes latéraux formant de minces manchons de cellules que l’on retrouve sur toute la longueur de la tige, des rameaux ou des racines. Il existe deux types de méristèmes latéraux, l’assise subéro-phellodermique située sous l’écorce responsable de la formation de tissus protecteurs (liège et phelloderme) et le cambium responsable de la formation des tissus ligneux.
Dans les régions tempérées le cambium cesse de fonctionner en hiver, il reprend son fonctionnement lors de la reprise de l’activité de végétation en mettant en place une nouvelle couche de cellules distincte de la couche précédente. Ces couches successives sont appelées « cernes annuelles ». Pendant la même année, les saisons influencent l’activité cambiale de telle sorte qu’il est possible de distinguer plus ou moins nettement le bois formé au printemps (bois initial) de celui formé pendant l’été (bois final). La largeur de cerne n’est pas constante dans un même arbre, elle varie en fonction des conditions de croissance d’une année à l’autre, de la nature des sols, de l’espèce, de la position dans l’arbre… Pour les conifères par exemple, plus les largeurs de cernes sont faibles, plus le bois est dense.
Après quelques années de fonctionnement, le parenchyme mis en place par le cambium meurt. Le bois se transforme pour former le duramen, c’est le processus de duraminisation. Lorsque celui-ci est coloré il se distingue parfaitement du bois encore vivant appelé aubier, on parle alors de duramen. Si la distinction n’est pas évidente on parle de bois parfait. Cependant, la dénomination duramen est très souvent utilisée dans les deux cas.

Les fibres ligneuses

Egalement appelées fibres simpliciponctuées, les fibres ligneuses sont des éléments allongés, effilés à lumen réduit. Les cellules sont mortes et vides avec peu de ponctuations simples, elles jouent surtout un rôle de soutien et agissent sur la densité et la résistance mécanique du bois.
Les rayons ligneux sont constitués de cellules parenchymateuses vivantes dans l’aubier ayant un rôle de réserve. Ils peuvent être constitués de plusieurs cellules et visibles à l’œil nu en coupe transversale et longitudinale. On dit alors qu’ils sont plurisériés. Mais ils peuvent aussi être étroits, larges d’une seule file de cellules, ils sont alors dits unisériés.

Le parenchyme longitudinal

Tout comme le parenchyme radial (rayons ligneux), le parenchyme longitudinal a pour rôle d’emmagasiner, de restituer et de transformer des réserves. Il peut être disposé indépendamment des vaisseaux, il est alors dit apotrachéal, ou associé à ces derniers, il est alors dit paratrachéal. Tout comme les rayons ligneux, il est constitué de cellules vivantes dans l’aubier.