Biocarburants : Potentiel et limites - univ-lorraine.fr

Énergies renouvelables | Production éco-responsable | Transports innovants | Procédés éco-efficients | Ressources durables

Biocarburants :Potentiel et limites

Dr. Xavier MontagneIFP Energies NouvellesIFP Energies Nouvelles

nerg

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nouv

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201

1 -I

FP E

n

Nancy, Académie des sciences de Lorraine, 24 juin 2012, Dr. X. Montagne

Le contexte énergétique

Maîtrise de la demande en énergie Doublement possible à l'horizon 2050 de la demande sous

l'effet des pays émergentsDi ifi ti d b t é éti Diversification du bouquet énergétique

Eff d l R&D d l d i d

elle

s

Effervescence de la R&D dans le domaine de l'énergie

FP E

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Maîtrise des moyens de transport et de stockage de l'énergie

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011

-I

Nancy, Académie des sciences de Lorraine, 24 juin 2012, Dr. X. Montagne2

l énergie

Production d' énergie primaire dans le mondeProduction d' énergie primaire dans le monde

Fossiles2,2% 0,5%

Fossiles

Nucléaire10,5%

6,4%

Biomasse

Hydraulique80,4%

elle

s

Hydraulique

Autres

,

FP E

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S IEA t MEDDM (2008)

MONDE12000 Mtep

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Sources: IEA et MEDDM (2008)

Evolution 1970 - 2030 de la demande mondialeDemande en énergie

18 Gtoe

Demande en énergie primaire

14.416.5

12

15 BiomassRenewableNuclear

10.312.2

6

9NuclearNatural Gas OilCoal

5.5 Energies fossiles : ~80%

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s

0

3

1970 2000 2010 2020 2030

Coalg

FP E

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Estimation : + 60% 2000 – 2030

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Source : IEA WEO

Les énergies renouvelables en FranceLes énergies renouvelables en France

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Contexte énergétique : Les enjeux du secteur des transports

Réduire la dépendance énergétique vis à vis du pétrole

Réduire la pollution globale : gaz à effet de serre (CO2, CH4, N2O)

Réduire la pollution locale : CO, HC, NOx, fines particules, O3

Réduire les nuisances : bruit

elle

s

Réduire les nuisances : bruit, .....

dans des conditions économiques acceptables

FP E

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e … dans des conditions économiques acceptables…

Quels impacts sur les technologies et sur

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p gle mix énergétique

Carburants : Consommation mondialeConsommation mondiale de carburant dans le secteur routier

36.2%

6.2% 1 3%

2.9%En 2009, la consommation de carburants pour le transport

6.2% 1.3%2.0%

• dépend du pétrole pour 94%

• represente 50 % de la consommation pétrolière

elle

s

57.6%EssenceDieselBiocarburants

consommation pétrolière

• représente environ 20 % de la consommation d'énergie

FP E

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GPLGNV

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Sources: KBC, IFPEN, NGVA

Principal atout de la biomasse : la photosynthèsephotosynthèse

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Source : Panorama IFP 2010

Croissance de la biomasse = Photosynthèse

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Croissance de la biomasse = Photosynthèse

Biomasse et énergie

Ressources agricoles Biocarburants de première génération Biocarburants de première génération

Bois et déchets végétaux Production de chaleur / électricité Production de chaleur / électricité Méthanisation et Méthanation Biocarburants de seconde génération, Pyrolyse

elle

s

Microorganismes µalgues

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levures Transformation chimique :

d l bi t d bi b t

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de la biomasse et des biocarburants CO2 comme ressource : bioressource ou non?

Biomasse et Biocarburants (1)

Ressources agricoles Biocarburants actuels : dits de première génération Biocarburants actuels : dits de première génération

Ressources en compétition avec l'alimentaire

Procédés mature

elle

s

Ressource limitée pour l'énergie

FP E

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e

Prendre garde à la compétition d'usage des sols (directe et indirecte)

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Biocarburants de 1ère générationBiocarburants de 1ère générationUn volume limité et une concurrence avec le marché de l’alimentaire

CH3CH20H3 2

C18H36COOCH3

elle

s

EMHA

EEHV

EMHV

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C H

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HvO : NexBtL, VeganCnH2n+2

Current fuels from biomass

Starch plant

Biomass from agriculture Current situation

p

Sugar plant Sugar plant

BrazilUSA

elle

s Vegetable oil plant

Brazil

EU

FP E

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e EU

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Les biocarburants aujourd'huiLes biocarburants aujourd'huiProduction au niveau mondial

9 0 0

7 0 .0

8 0 .0

9 0 .0E th an o lB io d iesel

5 0 .0

6 0 .0

Mt

2 0 0

3 0 .0

4 0 .0

elle

s 0 . 01 0 . 0

0 . 0

Production mondiale d'éthanol carburanten 2008 : 52,5 Mt (90% USA et Brésil)

FP E

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e 1 9 7 5 1 9 8 0 1 9 8 5 1 9 9 0 1 9 9 5 2 0 0 0 2 0 0 5 2 0 1 0 2 0 1 5, ( % )

Production mondiale de biodieselen 2008 : 13,7 Mt (57% Europe)

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-I


Deux procédés IFPEN à base de lipides

O R3

O

R1 O

OLipides

N

VEGAN™E t fi H™

O R3R1 O

O R2

O

H23 MeOHBiodiesel

Nouveaukérosène

VEGAN™Esterfip-H™ O

HydrogénationR COOM

elle

s

Iso-Paraffines renouvelables (C14- C18)

EMHVR1COOMeR2COOMeR3COOMe

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OHOH

++Glycerine

H2O, propane, CO2, CO

3

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OH

BiodieselLe procédé Esterfip-H Expérience

France - 2006

Expérience

• 8 références industrielles• 8 références industrielles

* source: FO-Licht

Sweden- 2007

elle

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Sweden 2007

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Les filières biocarburants actuelles (génération 1)Enjeux liés à la ressource

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Biomasse et biocarburants (2)

Bois et déchets végétaux : filière de seconde génération Bois et déchets végétaux : filière de seconde génération Ressource qui n'est pas en compétition directe avec l'alimentaire Gisement de biomasse et coût d'accès Gisement de biomasse et coût d accès Approche technologique de valorisation plus ouverte mais plus

compliquée

elle

s

Traitement biochimique Traitement thermochimique Pyrolyse

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y y

Prendre garde à la compétition d'usage des sols (directe et indirecte)

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indirecte)

De nouvelles technologies pour un autre type de ressources: la lignocellulose

La biomasse lignocellulosique fait référence à la biomasse végétale qui est composé de cellulose, hémicellulose et lignine.

Les polymères d'hydrates de carbone (cellulose et les Les polymères d hydrates de carbone (cellulose et les hémicelluloses) sont étroitement liés à la lignine, par l'hydrogène et les liaisons covalentes.

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Les nouvelles filières : générations 2

Gazéification : CO+H2

biocarburants synthétiques

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Hemicellulose

FP E

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e Hemicellulose

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Lignine Cellulose Sucre : hydrolyses enzymatiqueset fermentation (ethanol)

De nouvelles technologies pour un autre type de

L é id f ti

De nouvelles technologies pour un autre type de ressources: la lignocelluloseLes ressources à l'étude – la biomasse actuellement mobilisable

Les résidus agricoles Les résidus forestiers

Surplus de taillis Résidus de culture

surplus de paille bagasse de cannechaume de maïs

elle

s

Rémanents et bois de rebut Issu de silo

surplus de paille bagasse de canne à sucre

chaume de maïs

FP E

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1 -I


De nouvelles technologies pour un autre type

C lt ll l t tiè

De nouvelles technologies pour un autre type de ressources: la lignocelluloseLes ressources à l'étude – les cultures dédiées expérimentées

Pé à f t Cultures annuelles plantes entières Pérennes à forte productivité

TriticaleMiscanthus

TCR

Sorgho sucre & sorgho fibre

elle

s

TCR

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Nancy, Académie des sciences de Lorraine, 24 juin 2012, Dr. X. Montagne21 SwitchgrassTCR de Saule TCR de Peuplier

Fétuque élevée

Les biocarburants du futur (2em génération)

Le projet Axens, CEA, IFP Energies nouvelle, Sofiproteol, , Total et Uhde GmbH

Biogazole 2G

Le projet FUTUROL

Biogazole 2G

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s

Ethanol 2G

FP E

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Ethanol Production from LignocellulosicEthanol Production from Lignocellulosic Biomass : the process Future ways

Cellulases

Enzymeproduction

BIOMASS Pretreatment Cellulose + lignin Enzymatichydrolysis

Glucose Fermentation Ethanolbroth

Cellulases

Step 4Hemicellulose

hydrolysate Lignin Separation

Step 4

elle

s

Bio-ethanol

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Step 1 Step 2 Step 3

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Ethanol 2GEthanol 2G Principe de la Libération des Sucres

Action des enzymes CBHAction des enzymes CBH

Conditionnement Prétraitement Hydrolyse

elle

s

Lignine

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e LignineHemicelluloseCellulose

microfibrilles cellulose

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LE PROCEDECOPRODUITS AGRICOLES

ET FORESTIERSRESIDUS

BIOMASSE DEDIEE

BIOMASSEPRETRAITEE

ENZYMES

BACTERIES CHAMPIGNONS

BIOMASSE DEDIEE PRETRAITEMENT ENZYMES

HYDROLYSEDISTILLATION

ENZYMATIQUE SUBSTRAT FERMENTESCIBLE

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ETHANOL

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FERMENTATION LEVURES

L j t FUTUROL

B d t 74 M€ ti d'O é

Le projet FUTUROL

ACTEURSACTEURS ACTEURS ACTEURS ACTEURS ACTEURS

Budget : 74 M€ avec un soutien d'Oséo 11 partenaires

R&DR&D INDUSTRIELSINDUSTRIELS FINANCIERSFINANCIERS

elle

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Initié et labellisé par le pôle de compétitivité Industrie et Agro Ressources (IAR)

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Ressources (IAR) Porté par la société Procéthol-2G

elle

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Biogazole 2G Le procédé BtL (Biomass to liquids)Le procédé BtL (Biomass to liquids)

S thè

p ( q )p ( q )

Biomasse Production de

syngasUpgrading

SynthèseFischer-Tropsch

Syngas P d itCi

Biomasse

Syngas Produitsfinaux

Cires

CO + H2

elle

s

H2

FP E

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1 -I


BtL Bi h d bBtL : BiohydrocarbonsTechnologies involved

bi

ASUEl. powerCO2biomass

O2 naphtha

pCO2

Biomass

PretreatmentGasification

Syngas

conditioning

Synthesis (FT)&

Upgrading (HCK)

elle

s

Upgrading (HCK)

diesel

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XTL chain = complex process, looks like GTL...Utilities & integration

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XTL chain complex process, looks like GTL...≠ 1st generation biofuels

BioTfueL: Pilotes multi-échelles

BiomasseFossile

Pilote 2 : Raffinerie

Prétraitement (Torréfaction) ~3 t/h

Fossile

Intégration procédés, Utilités, Co-Produits

Fischer-Tropsch

(Torréfaction), 3 t/h

Gazéification Syngas

elle

s

TropschGazéificationEF (15MWth) Conditioning

O2 tank H2Pilote 1 : Compiègne

FP E

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Etudes technico-économiques, PI, ACV et évaluations multicritères, matériaux & corrosion, analyses, HSE, traitement des rejets,

Pilote 1 : Compiègne

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matériaux & corrosion, analyses, HSE, traitement des rejets, intégration des process, modélisation & simulation, études

d'extrapolation, management du projet

BioTfueL chiffres clefs & objectifs

Le projet BioTfueL: 7 années de programme [2010- 2016]

• R&D = 7 ans• Programme de test = 5 ans• Programme de test = 5 ans

6 partenaires 2 sites pour les unités de démo

elle

s

IFPEN

p• Sofiprotéol site de Venette• Total site de Dunkerque

FP E

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Budget = 112.7 M€ Soutiens publics: 33.3 M€

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Nancy, Académie des sciences de Lorraine, 24 juin 2012, Dr. X. Montagne31 Confidential

Les unités de démonstration du projet BioTfueL: Unités multi-échelles pourUnités multi échelles pour

obtenir les données permettant l'extrapolation à grande échelle valider différents schémas et configurations d'unité

Lab

Gasifier WGS AGRTorrefaction FT

Lab


on Lab


Lab


on

GazéifieurTorréfaction

3 t/h

Labo

FT

3 t/h

Labo

FT

onst

ratio

3 t/h

Labo

FT

3 t/h

Labo

FT

onst

ratio

elle

s

S fi t l C iè T t l RM F

15 MWth l

S fi t l C iè T t l D k F

15 MWth100-200 Nm3/h l

Dem

o

S fi t l C iè T t l RM F

15 MWth l

S fi t l C iè T t l D k F

15 MWth100-200 Nm3/h l

Dem

oFP

Ene

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s no

uve Sofiproteol Compiègne Total RM FranceSofiproteol Compiègne Total Dunkerque France

Multiple scale Demo plants

Sofiproteol Compiègne Total RM FranceSofiproteol Compiègne Total Dunkerque France

Multiple scale Demo plantsUnité multi-échelles

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Nancy, Académie des sciences de Lorraine, 24 juin 2012, Dr. X. Montagne32 Confidential

p pp pU té u t éc e es

Voie de conversion de la lignocelluloseTempérature (oC)

1400 Gaz de synthèse

(CO, H2, CO2, CH4)

Synthèse Fischer-Tropsch d'hydrocarbures

(PCS hydrocarbures ≈ 44 MJ / kg4)

GazéificationGazéification700

GazéificationGazéification

Liquéfaction ThermoLiquéfaction Thermo--chimiquechimique500

300

(oxygène : 40-45 %pds1)

(PCS : 16-19 MJ / kg1)

qq qqUpgrading

Pyrolyse rapide(PCS huile de pyrolyse ≈ 20 MJ / kg1)

Liquéfaction en solvant sous pression

(eau2, alcools, acide formique3 + sels)

elle

s

300

Mise en œuvre catalytique

Quelles sont les réactions pertinentes à catalyser ?

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Extraction des sucres f ti ibl

Fermentation alcoolique Bioéthanol

< 100 Voie BiochimiqueVoie Biochimique

Q p y

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fermentiscibles(PCS éthanol ≈ 30 MJ / kg1)

3[Kleinert et al., 2008]1[Huber et al., 2006] 2[Goudriaan et al., 2000] 4 [Norton et al., 1998]

Biomasse et Biocarburants (3)

Microorganismes : filière de troisième génération Microorganismes : filière de troisième génération µalgues bactéries, levures

Compétition avec l'alimentaire? Compétition d'usage des sols ?

Productivité à l'ha

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s

Productivité à l ha Ressources en rupture :

Production de lipides

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Production d'hydrocarbures

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Potentiel pour la production de biocarburants?

Potentiel de production de biodiesel ou de biokérosène

Ressource Productivité (L/ha)Maïs 172Soja 446Colza 1190Jatropha 1892Noix de coco 2689

Une 3e génération ?

elle

s

Huile de palme 5950Micro-algues (à 70 % huile) 136 900

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Micro-algues (à 30 % huile) 58 700

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The alternative liquid fuels for Diesel enginesG3 biofuels?G3 biofuels?Largement tiré par l'aéronautique

1 Al d ti1- Algae production• Two types of algae:

• Autotrophic: Grow with light and inorganic carbon CO2• Heterotrophic: Grow without light with any organic source of carbon• Heterotrophic: Grow without light with any organic source of carbon

• Three types of growing processes:• Open reactors: Raceway pond – lower yields• Tubular photo bioreactors many existing shapes• Tubular photo bioreactors many existing shapes • Fermentation (for heterotrophic algae) – best yields but only at lab scales

Raceway pondFermentation

elle

s

Raceway pond

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Tubular photo bioreactors

Molécules biossourcées (4)

Transformation chimique de la biomasse: Nouvelle approche du traitement de la cellulose : hydrolyse Nouvelle approche du traitement de la cellulose : hydrolyse

catalytique, pour aller vers des molécules d'intérêt (ex acide lactique)

Reforming de sucre par catalyse hétérogène : cible carburant –coupe essence - et aromatiques

elle

s

Transformation chimique/biochimique d'intermédiaires issus de biomasse

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Ethanol to Jet, to Diesel Alcool to Jet Sugar to Alcan (id reforming des sucres)

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g ( g )

Biocarburants et développement durable

Biomasse et biocarburants : o asse e b oca bu a s bilan GES des G1 et G2

La directive européenne EnR impose le respect de critères de durabilité pour qu'une filière soit éligible

elle

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Biocarburants critères de durabilité UEBiocarburants critères de durabilité UE

100.0Carburant

fossileconventionnel

65.0Dès 2009 Réductiondes émissions

50.0Dès 2017

des émissionsde CO2

elle

s 40.0Après 2017

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0 20 40 60 80 100

% de GES émis pour un biocarburant par rapport à la référence fossile

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% de GES émis pour un biocarburant par rapport à la référence fossile

[1] Directive 2009/28/CE DU PARLEMENT EUROPÉEN ET DU CONSEIL du 23 avril 2009 relative à la promotion de l’utilisation de l’énergie produite à partir de sources renouvelables et modifiant puis abrogeant les directives 2001/77/CE et 2003/30/CE

Biocarburants de 1ère générationBilan GES du puits à la roue des filières biocarburants existantes

Source : Directive 2009/28/CE du 23.04.2009 relative à la promotion de l'utilisation de l'énergie produite à partir de sources renouvelables (Valeurs types détaillées)

Biocarburants de 1ère génération

HVO - Palme (piéageage du méthane)

Culture de la ressource Etapes de transport (ressource et carburant) Conversion

Gain min = 35% *

Gain min = 50% *

Gain min = 60% *

EMHV - Palme (piéageage du méthane)

HVO - Palme (procédé non précisé)

EMHV - Palme (procédé non précisé)

(p g g )

Ethanol

elle

s

ETHANOL - Blé (GN et cogénération)

ETHANOL - Blé (paille et cogénération)

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e

ETHANOL - Blé (lignite et cogénération)

ETHANOL - Blé (GN et chaudièreclassique)

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0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

gCO2eq / MJ de carburant* Par rapport aux références fossiles essence et gazole conventionnels pour lesquels le bilan GES est de 83,8 gCO2eq/MJ

Biocarburants de 2ème générationBilan GES du puits à la roue des filières biocarburants du futur

Source : Directive 2009/28/CE du 23.04.2009 relative à la promotion de l'utilisation de l'énergie produite à partir de sources renouvelables (Valeurs types détaillées)

Biocarburants de 2 génération,

Méthanol - Bois cultivé (TCR)

Culture de la ressource Etapes de transport (ressource et carburant) Conversion

Gain min = 35% *

Gain min = 50% *

Gain min = 60% *

DME - Bois cultivé (TCR)

Méthanol - Déchets de bois

= 35% 50% 60%

Gazole FT - Bois cultivé (TCR)

DME - Déchets de bois Réduction des émissionsde GES de 75 à 90 %

elle

s

ETHANOL - Bois cultivé (TCR)

Gazole FT - Déchets de bois

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0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

ETHANOL - Paille de blé

ETHANOL - Déchets de bois

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0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

gCO2eq / MJ de carburant* Par rapport aux références fossiles essence et gazole conventionnels pour lesquels le bilan GES est de 83,8 gCO2eq/MJ

CONCLUSIONS (1)CONCLUSIONS (1) : biocarburants : de la G1 à la G3

Les biocarburants ont la capacité de réduire les émissions de CO2 des transports améliorer l'indépendance énergétique

La 1ère génération est une réalité industrielle qui répond à ces questions mais elle plafonne en capacités et performances

elle

s

capacités et performances La 2ème génération est en préparation et permettra de

compléter significativement l'offre à partir de 2020

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e compléter significativement l offre à partir de 2020

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CONCLUSIONS (2)CONCLUSIONS (2)biocarburants : de la G1 à la G3

La 3ème génération n'a pas encore montré son potentiel pour une production de carburants mais pourrait permettre d'atteindre des productivités plus élevées

elle

s

De nouvelles approches de transformation de la biomasse conduiront à élargir les possibilités pour la

FP E

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nouv

e biomasse conduiront à élargir les possibilités pour la production d'énergie mais aussi pour la chimie, les matériaux, …

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matériaux, …

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