BIOMASSE et BIOÉNERGIE - CSBE-SCGAB Bioeng - … · 2 installations de production à la ferme:...
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BIOMASSE et BIOÉNERGIE: marchés, enjeux, défis
Michel LachanceCQVB
25 mars,
2009Journée scientifique et technique en
GÉNIE AGROALIMENTAIRESt-Hyacinthe
PLAN
⇒ Intro•
contexte •
bio-économie et bioproduits•
une industrie émergente
⇒ L’énergie au Québec
⇒ Biomasses
⇒ Technologies de conversion
⇒ Segments d’affaires
⇒ Enjeux et avenir
CONTEXTE
Défis modifiant nos économies: des
tendances♦ baisse des réserves de pétrole♦ croissance fulgurante de la demande d’énergie
(mondiale)♦ hausse des prix du pétrole
+ nombreuses matières premières♦ changements climatiques♦ sensibilité
environnementale / réduction des GES
♦ sécurité
énergétique
(plus grande autonomie)
Atouts pour y répondre:♦ RESSOURCES RENOUVELABLES♦ TECHNOLOGIES VERTES♦ PROGRÈS MAJEURS: chimie, génomique, science des matériaux
génie industriel
BIOÉCONOMIE
Une bioéconomie
s’appuie sur l’utilisation de: ♦ ressources biologiques renouvelables: biomasse♦ bioprocédés
avec objectif: la fabrication de biensplus durables
et plus éco-énergétiques.
On appelle ces biens: «
bioproduits
»
Tout produit industriel / commercial élaboré à partir de biomasses forestières, agricoles, marinesou de résidus municipaux / industriels
Fabriqués par procédés utilisant carbone
compris dans ≠
BM
BIOPRODUITS? pas nouveaux
La contribution de ces bioproduits à
notre économie fait l’objet de grande attention considérant leur potentiel :
-
diversification commerciale-
redynamisation des régions-
impact
positif sur l’environnement
Avant l’ère du pétrole, l’emploi des ressources renouvelables était déjà très populaire♦ produits naturels fermentés (bière, yogourt)♦ papiers♦ plantes médicinales, tisanes♦ polymères dérivés du cotton♦ poignées de portes de la Ford T
Le pétrole nous avait détourné de cette voie
LARGE ÉVENTAIL DE PRODUITS / procédés
Ressourcesrenouvelables
• Plantes– cultures– forêt
• Algues• Animaux/poissons
• Microorganismes
• Résidus organiques– municipaux– industriels– agricoles– forestiers– aquaculture
Bioproduits
indust.• Énergie, biocombustibles
• Biocarburants
• Produits manufacturés:-
produits chimiques-
biosolvants/lubrifiants-
biosurfactants-
adhésifs, résines-
bioplastiques-
biocomposites-
fibres industrielles-
biocatalyseurs-
biosenseurs
Procédés technologiques
Physiques (extraction)
Chimiques (traitement acide)
Thermiques (pyrolyse)
Biologiques (enzymes, fermentation)
LA FILIÈRE BIOÉNERGIE
♦
Biocombustion• combustion directe• cogénération
♦
Produits solides• biocombustibles secs: bûches, granules
♦
Produits liquides• substituts à l’essence: bioéthanol, biométhanol,
biobutanol• substituts pétrodiésel: biodiésel, biomazout,
biohuiles♦
Produits gazeux• biogaz (méthane)• syngaz (gaz de synthèse)
SITUATION ÉNERGÉTIQUE QC
♦
Bilan énergétique (2005)• Électricité 38%• Pétrole 38%• Gaz naturel 12%• Biomasse 8,5%
♦
En 2005, l’énergie de la biomasse représentait une contribution annuelle de 4 M de tonnes équivalent pétrole
(tep)- 1/3 est utilisé dans le secteur résidentiel,- 2/3 dans le secteur industriel (cogénération, pâtes et papiers)
♦
sur l’horizon 1983-2005:• la consommation de biomasse a presque doublé,
passant de 2,4 à 4 M tep• progression future: dépend de disponibilité de biomasse
Source: MRNF
LA BIOMASSE: C’EST QUOI?
♦ Amidon- 70-75% (maïs); facilement hydrolysable
♦ Huiles- 4-7% (maïs),18-20% (soya); produits oléochimiques
♦ Protéines- 20-25% (maïs), 80% (soya); produits chimiques
♦ Lignine- structure aromatique complexe, très énergétique- conversion biochimique difficile
♦ Hémicellulose- xylose: 2e sucre plus abondant dans la biosphère- polymères de sucres à 5 et 6 C, conversion difficile
♦ Cellulose- sucre plus abondant dans la biosphère- polymère de glucose, bonne biomasse
SOURCES DE BIOMASSES
♦ résidus forestiers- déchets d’usinage et de coupe, résidus urbains- parties non productives: lignes de transmission,
tourbières, espèces non allouées- plaquettes forestières, etc.
♦ résidus agricoles- résidus secs (pailles, rafles)- déchets humides (effluents agricoles, résidus agroalim)
♦ résidus industriels- déchets recyclés pour énergie (effluents, copeaux)- rebuts valorisés (liqueur noire, lactosérum, carapaces)
♦ résidus municipaux♦ cultures dédiées
plantes herbacées et arbustives
DISPONIBILITÉ de biomasse
♦
Biomasse forestière : 6,4 Mtma (tonnes métriques anhydres)
♦
Biomasse urbaine, déchets commerciaux, etc.: 7 Mtma♦
Autres biomasses : agricole, boues, etc.
Problème: épuisement de la BM bon marché-
faudra compter sur déchets de coupe + cultures nouv.-
besoin de nouvelles méthodes de collecte / préparationGouvernement priorise MP cellulosique résiduelle
1 Mtma de biomasse peut produire entre 200 et 450 Ml d’éthanol ou de biodiesel de 2e génération (selon techno utilisée)
⇒ Rendement de production d’éthanol: 200-
400 l / tmade bioéthanol, selon type de BM et technologie utilisée
⇒ Rendement de production électrique: 1MW requiert 8 000 tma de BM / an
Source: MRNF
TECHNOLOGIES
de conversion (1)
Ressource
Transformation
Produits
matièreligno-
cellulosique
- première- résiduelle
cogénération
turbines
piles énergétiques
chaleurélectricité
bioéthanol
produits chimiques
biodiéselbiohuiles
matériaux
combustion directe
gazéificationpyrolyse
Bioprocédésfermentation/polymérisation
transestérification
TECHNOLOGIES
de conversion (2)
Ressource
Transformation
Produits
lisiers et fumiers
chaleurélectricité
matériaux
produits chimiques
biodiéselbiohuiles
bioéthanol
gras animauxvégétaux
résidusmun / ind
bioprocédés
méthanisation
combustion
gazéification
COMBUSTION
► Bm utilisée au QC vient majoritairement de forêt
et des industries de transformation du bois
et p/p
► peut produire chaleur et électricité • combustion directe
: produit chaleur (chauffage bâtiment, chaleur pour procédés
ind., production eau chaude)• cogénération
: produit chaleur + électricité► source d’énergie très rentable
4 t de bois économise 1 t pétrole + évite l’émission de 2,5 t de CO2
► technologies
connues et au point: chaudière BM, chaudière vapeur
► défis: récolte et transport des résidus, préparation, intégrée, si possible, aux opérations de récolte des bois
traditionnels
► utiliser la BM pour combustion dépend de garantie d’approvisionnementen biomasse + usages alternatifs
de cette biomasse► plusieurs projets régionaux au QC
BIOGAZ: biométhanisation
► Gaz composé surtout de méthane
/ CO2par digestion anaérobie
(sans O2) des matières organiques(fumiers, lisiers, boues d’épuration, déchets municipaux)
► technologies
matures
(nombreuses au QC)
► biomasse
résiduelle
importante
(fumiers, lisiers)
► avantages: bilan énergétique
positif: forte réduction des GESfournit de l’énergie de proximitéet résout problème de disposition des lisiers/fumiers
► défis: prix de l’électricité, efficacité des génératrices
► au Québec:• 2 installations de production à la ferme: Bio-Terre Systems • Groupe EBI, Biothermica, Envirogaz
Énergie Highland, Lisox, etc.
BIOCOMBUSTIBLES SECS
► densification
de la matière ligneuse:réduit frais de transport et augmente la valeur énergétique de la BM
► technologies
connues
► biomasse: résidus agricoles
et forestiers cultures énergétiques
(saule, panic);
plusieurs essais
► avantages: bilan énergétique
positif
► marchés
: -
granules de bois (essor relié au marché poêles à granules) -
bûches énergétiques
(en développement)
► au Québec:
Energex, Granules L.G. ,
Recy-Clone, Evergreen Biofuels,Bois énergétique recyclé Lauzon, Écoflamme,Bûches énergétiques, Boisbriand
(buches)
BIODIÉSEL
► objectif
: 120 Ml/a pour 2012
► technologies
connue (transestérification)
ou en développementproduits: biodiésel + glycérine
(glycérol) et tourteau
► biomasses:
● huiles végétales
(canola, soya, tournesol, huile de palme)● gras
animal et huiles de friture
recyclées● huiles de poisson
(usines transformation), algues, champ
► caractéristiques: variables (macromolécules) - 10 % moins énergétique
que pétro-diésel -
indice cétane
plus élevé : intéressant pour autoallumage-
viscosité
plus élevée : requiert additif par temps froid-
bilan énergétique
variable; bilan GES: positif mais variable selon Bx
► marchés: -
mélangé
au pétrodiésel : B2, B5, B20, B100-
substitut
à éthylène/polyols: lubrifiants, solvants, surfactants► au Québec:
Rothsay
(35 Ml),
Biodiésel Québecdistribution: Olco, Sonic
BIO-HUILES
► Condensat liquide
noir
issu de résidus for/agUtilisée principalement comme huile à chauffage
► technologie connue:
liquéfaction directe ou pyrolyse rapide (pression basse + addition très rapide de chaleur)⇒
70% biohuile, 15% charbon solide, 15% gaz
► biomasse:
résidus agricoles et forestiers
► caractéristique:contient plusieurs molécules d’hydrocarbones, peut être raffinée
en de nombreux produits chimiques
► marchés: Infime part du marché
des carburantsmais croissance anticipée par petites unités mobiles
► le Canada:
leader mondial
: Ensyn (ONT), Dynamotive Energy (CB)
BIOÉTHANOL
► objectif: 5% en 2012, besoin de 330 Ml/a
► technologies
connues / en développement (démo):⇒ bioéthanol
+
CO2
+
lignine / drèches
► biomasse:
● résidus ag-for (paille, tiges, coupes, essences résiduaires)● résidus municipaux/industriels (organiques)● cultures herbacées/arbustives (panic, saule)
► caractéristiques
fixes
(molécule unique: ester éthylique)40 % moins énergétique
que l’essence, mais plus denseE10 réduit de 3% la puissance du moteur mais meilleure combustion
► marchés: -
mélangé
au pétrodiésel : E2, E5, E20, E100-
comme
solvant / grade alimentaire► au Québec:
Ethanol Greenfield: cap. 120 Ml/an (320 000 t/an de maïs)Énerkem: usine pilote + projet démo de 4 M l/anCRB Innovation: projet démo Tembec: grade alimentaire
Canada: IogenIogen
(paille):
usine démo: 2,5 Ml/a
L’INDUSTRIE CANADIENNE
Produits en développement par taille de firmes (2006)
Number of bioproducts under development, by type and firm size
0
50
100
150
200
250
Bio-fuels/ bio-energy
Bio-chemicals Biopesticides/bio-fungicides/bio-herbicides
Fibercomposites/
fiberboard/ agri-fiber panels
Bio-sensors/biocatalysts/bio-plastics/
other
Small
Medium
Large
AVANTAGES de la bioénergie
La biomasse peut être transformée en énergie + bioproduitssans besoin d’attendre des millions d’années !
►
renouvelable, carbone neutre, biodégradable,►
permet produits moins toxiques/polluants
Plus grande stabilité de l’offre énergétique• approvisionnement diversifié, source constante / stable d’énergie• dépend de facteurs plus proches et contrôlables• permet une distribution stratégiquement efficace
Plus grande stabilité des prix• prix de l’énergie fossile dépendent des prix mondiaux• contrats de bioénergie offrent une stabilité long terme
Plus d’efficience dans le système• utilisation de résidus
ENJEUX de la conversion de la biomasse
►
utilisation de: terres, énergie, eau, fertilisants, pesticides
►
conflits d’usages: alimentation/matériaux/autres
►
faible densité énergétique
►
transport
(coûteux et polluant)
►
conversion exige énergie
►
BM peut contenir jusqu’à 50% d’eau
►
chaleur latente
de vaporisation
►
ne contribue pas à créer de la valeur: énergétique, chimique
►
prix volatile
du pétrole
LES JOUEURS se positionnent
Secteur énergie:Shell:
a investi 46M$ dans Iogen; prévoit qu’en 2050, 30% de l’énergie et des produits chimiques dérivera de la BM
BP: alliance avec DuPont pour produire biobutanol carburant Suncor: alliance avec Lignol
pour éthanol/chimiques à partir de BM forAu Québec: Envirogaz, Biodiésel QC, Enerkem, etc
Secteur forestier:Tembec: ventes de 200M$/an de divers produits chimiques (6% de ses revenus; prévoit être un producteur net d’énergie dans 5 ans)Canadian Forest Innovation Council
a identifié l’énergie, les produits chimiques et composites avancés comme des opportunités majeures de marchés pour le secteur forestier (potentiel: dizaine de G$)
Secteur agroalimentaire:Rothsay: stratégie pour accroître la récupération des plus-values et réduire l’empreinte environnementale des gras traités
+
Secteur coopératif: Coop fédérée
FACTEURS D’INFLUENCE
♦ Disponibilité
et coût des biomasses
♦ Disponibilité
et accessibilité
du capital
♦ Capacité
de R-D et d’innovation
♦ Alliances stratégiques
♦ Propriété
intellectuelle
«
Ind Biotech: Development & Adoption by the US Chemical & Biofuels Industries
», US International Trade Commission, juillet 2008
559 compagnies interrogées
COÛT/DISPONIBILITÉ DE BM
Facteurs critiques de compétitivitécar représente 50-80% des coûts de production
Biocarburants: coût = premier facteur pour viabilité
du segment
Classements des facteurs, par ordre d’importance:
♦ coûts (97%:
très important)♦ faibles rendements des cultures
(54)
♦ ruptures d’approvisionnement
(37)♦ problèmes de stockage
(36)
♦ mauvaise qualité
de la biomasse
(33)♦ contraintes dans la chaîne de transport (31)
DISPONIBILITÉ DU CAPITAL
Second facteur pour viabilité
de l’industrieR-D: facteur le plus important
Technologie non démontrée: difficulté
à
attirer du KInvestisseurs préfèrent techno proches d’une commercialisation rentable, capable de générer rapidement des profits
Firmes: plusieurs petites et ont besoin de K externe
Éléments requis pour attirer du K :♦ techno démontrée (preuve répétable)♦ fabricants / fournisseurs fiables pour la techno♦ mandats de marché♦ appuis financiers publics LT et garanties de prêtsbeaucoup de documentation à
préparer pour investisseurslongues rondes de financementmais Inv-VC: hausse de 400% (1999-2007)projets +gros; plus de firmes y ont accès
ALLIANCES STRATÉGIQUES
Succès des firmes dépend souvent de leur capacité
à
conclure alliances pour approvisionnement, distribn, dév. de nouveaux marchés⇒
Un facteur critique
de succès
Raisons pour des alliances :♦ R-D (142)♦ accès à
production de nouveaux savoirs (116)♦ marchés domestiques ou réseaux de distribution (110)♦ accès à
des biomasses (103)♦ accès à
propriété
intellectuelle (88)♦ diminution des coûts d’opération (78)♦ réduction des risques (70)♦ accès au capital (60)
INITIATIVES fédérales: plus de 2,5 G$
Agriculture bioproducts innovation:$479 M pour bioproduits, biocarburants, nouv. usages de cultures
Forest innovation:$127 M pour marchés non conventionnels (énergie, prod. chim.)
ecoEnergie:$1.5 G pour stimuler l’essor de carburants / énergie renouvelables.
Technologie de développement durable Canada (TDDC)$500 M pour biocarburants / bioragffineries de “seconde génération”
Nouveau programme national sur les Bioproduits CNRC-AAC
QUÉBEC: AEÉ281
M$ avec la nouvelle Stratégie de développement de l'industrie de
l'environnement et des technologies vertesAussi:
Fond vert
PAS SUR LE RADAR il y a 10 ans
La conscience d’opportunités
intéressantes augmente dans de nombreux secteurs et organisations
De nombreux maillages
se créent dans:-
plusieurs industries (foresterie, agric,
chimie, énergie, manufact.) -
et disciplines (biologie, chimie, génie)
Une communauté de pratique
émerge autour des bioproduits regroupant industriels, chercheurs, gestionnaires de programmes/projets, coopératives
Mais
toutes les technologies et tous les systèmes de production ne sont pas complètement disponibles –
de gros investissements en RD, intégration des technologies, ingénierie, démonstration sont requis