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Les différents types de biocarburants
Définitions
Les biocarburants sont des bioproduits majeurs du fait de la nécessité de transition énergétique et du volume de marché qu’ils pourraient représenter. On distingue deux types de biocarburants : les biocarburants conventionnels (ou de première génération), et les biocarburants avancés (ou de seconde génération). Les biocarburants sont dits de première génération lorsqu’ils sont produits avec une fraction comestible de la plante (sucre ou amidon pour le bioéthanol, et huiles végétales pour le biodiesel). Les biocarburants de deuxième génération sont produits avec la biomasse lignocellulosique, ce qui inclue les déchets agricoles, de scierie ou de sylviculture. Cela constitue leur principal atout face aux biocarburants conventionnels [13]. Les biocarburants de première génération font aujourd’hui face à une polémique quant à l’exploitation des terres agricoles. La plupart des biocarburants et autres produits biosourcés sont aujourd’hui produits dans des chaines de production dédiées et non au sein de bioraffineries avec des coproductions de matière et d’énergie. De plus, ils mobilisent des ressources en compétition avec l’industrie alimentaire en changeant l’utilisation des sols directement ou indirectement. L’utilisation de la ressource lignocellulosique permet de réduire cette compétition pour les terres fertiles étant donné qu’elle peut provenir de terres non compatibles avec l’agriculture. Le fait d’utiliser la biomasse lignocellulosique permet également d’avoir un meilleur rendement à l’hectare et d’avoir accès à une ressource bon marché [10], [14], [15]. Une étude récente sur l’impact des biocarburants sur les sols et le climat a montré que le bilan carbone des biocarburants de première génération peut atteindre jusqu’à 3 fois celui des carburants fossiles [16]. Cette même étude fournit des résultats encourageants pour les biocarburants de deuxième génération. Ces résultats doivent cependant être confirmés par des analyses sur des productions de biocarburant à l’échelle industrielle .
Marché et perspectives
Les biocarburants de première génération sont déjà disponibles sur le marché depuis une vingtaine d’année (par exemple l’essence SP95-E10 contenant 10% volumique d’éthanol biosourcé). C’est un secteur arrivé à maturité et qui représentait en 2015 3,9% de la consommation mondiale d’énergie dans le secteur des transports routiers [18]. Si l’usage des biocarburants reste aussi limité au niveau mondial, c’est principalement lié à leur coût élevé, qui est lui-même fortement lié au faible rendement à l’hectare [19]. En ce sens, le développement des biocarburants de 2ème génération constitue une amélioration étant donné que l’ensemble de la plante est utilisé. Les biocarburants de seconde génération font leur entrée sur le marché depuis quelques années avec la mise en route d’unités de production d’éthanol lignocellulosique notamment en Finlande, au Canada et aux Etats-Unis. La production de biokérosène et biodiesel lignocellulosiques devrait voir le jour avec des projets annoncés au Canada, en Chine, et dans les pays scandinaves. La France ne dispose pas encore d’unité industrielle de production de biocarburant de deuxième génération, mais plusieurs projets de développement de technologies sont en cours, notamment à travers les projets Futurol et BioTfuel [20], [21]. Selon l’Agence Internationale de l’Energie la production de biocarburants avancés devrait rester modeste à court terme, du fait de la nécessité de progrès technologiques [22].
Autres produits biosourcés
Les produits biosourcés peuvent avoir de nombreuses applications : pharmaceutique, cosmétique, nutriments, fertilisants, biomatériaux ou encore composés chimiques intermédiaires. La Figure I-6 représente les prix du marché en fonction du volume du marché pour différents types de bioproduits. Il est possible de produire à partir de la biomasse des produits à forte valeur ajoutée (LVHV pour Low Volume High Value) en plus des biocarburants qui sont des produits ayant une valeur ajoutée relativement faible (HVLV pour High Volume Low Value). Les produits chimiques biosourcés sont la classe la plus importante parmi ces produits. Cependant leur production reste limitée du fait du développement insuffisant des technologies de conversion et de séparation [24]. La plupart des produits chimiques utilisés dans l’industrie sont issus du pétrole, et la production durable de produits chimiques biosourcés nécessite une généralisation de leur utilisation dans l’industrie. En 2010, le département de l’environnement des Etats-Unis a identifié dix produits chimiques biosourcés présentant un intérêt particulier en matière de marché : l’acide succinique, les furanes, l’hydroxypropionic aldéhyde, le glycérol et ses dérivés, le sorbitol, le xylitol, l’acide lévulinique, les bio-hydrocarbures, l’acide lactique, et l’éthanol. Il est envisagé qu’à l’horizon 2050 ces composés représentent jusqu’à 38% de la production mondiale de produits chimiques [25]. Les produits chimiques pouvant être obtenus via le traitement de la biomasse sont soit des monomères, soit des produits dérivés de ceux-ci. L’objectif est d’arriver à produire des intermédiaires chimiques pouvant servir dans de nombreuses industries.
La biomasse lignocellulosique
La biomasse désigne la fraction biodégradable des produits, déchets et résidus provenant de l’agriculture (y compris les légumes et substances animales), de la sylviculture et des industries connexes, ainsi que la fraction biodégradable des déchets industriels et municipaux. Cette étude porte sur la biomasse lignocellulosique. Ce sont typiquement des résidus agricoles ou forestiers qui constituent souvent la partie non fermentescible de la biomasse initiale. Elle est majoritairement composée de lignine, de cellulose et d’hémicellulose. Ces éléments peuvent être présents en quantités variables selon la variété considérée mais aussi selon sa zone géographique (ensoleillement, qualité du sol, etc.) [26].
Les ressources en biomasse lignocellulosique sont constituées notamment de la biomasse produite par le déboisement (entretien de forêts), des résidus agricoles (pailles, bagasse…), des résidus forestiers issus de la sylviculture (déchets de scierie, branches, bêches…) et de cultures énergétiques dédiées (sorgho, miscanthus…). C’est donc une ressource qui n’est pas en compétition directe avec la production agricole alimentaire. La biomasse lignocellulosique est une ressource énergétique considérable. L’équivalent énergétique de la croissance naturelle de la biomasse correspond au double de la consommation énergétique mondiale [28], [29]. Il est difficile d’estimer à quel point cette ressource est accessible, mais elle paraît très certainement suffisante pour constituer une alternative crédible aux énergies fossiles, et pour jouer un rôle dans le mix énergétique. La valorisation de la biomasse lignocellulosique s’inscrit dans le cycle du carbone. Le CO2 émis dans l’atmosphère est consommé par la biomasse végétale vivante. Par conséquent, l’utilisation énergétique de la biomasse lignocellulosique est neutre en carbone à partir du moment où elle n’est pas récoltée dans le cadre de déforestation, sans compter les émissions de GES liées à son traitement et au raffinage.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I : Le Bioraffinage
I.1. Contexte énergétique et environnemental
I.2. Les produits biosourcés
I.2.1. Les différents types de biocarburants
I.2.2. Autres produits biosourcés
I.3. La biomasse lignocellulosique
I.4. Les bioraffineries
I.4.1. Le concept de bioraffinerie
I.4.2. Voies de transformation de la biomasse
I.4.3. Les bioraffineries utilisant la pyrolyse
I.5. Positionnement et objectifs de l’étude
I.5.1. Objectifs
I.5.2. Méthodologie
Références
Chapitre II : Les huiles de pyrolyse
II.1. Etat de l’art sur la pyrolyse de biomasse
II.1.1. Phénoménologie de la pyrolyse
II.1.2. Influence des paramètres du procédé de pyrolyse
II.1.3. Les procédés de pyrolyse rapide industrielle
II.2. Etat de l’art sur les huiles de pyrolyse
II.2.1. Proprétés physicochimiques
II.2.2. Composition chimique
II.2.3. Valorisation de la biohuile
II.3. Mélange représentatif de l’huile de pyrolyse
II.3.1. Méthode
II.3.2. Molécules cibles
II.3.3. Les cas particuliers des sucres et de la lignine pyrolytique
II.3.4. Mélange représentatif
Références
Chapitre III : Procédés de séparation de la biohuile
Introduction
III.1. Etat de l’art
III.1.1. Les opérations unitaires de séparation
III.1.2. Le fractionnement de l’huile de pyrolyse
III.2. Schémas de procédés
III.3. Sélection de solvants
III.3.1. Critères de sélection
III.3.2. Estimation des critères
III.3.3. Base de données et présélection de solvants
III.3.4. Etude expérimentale
III.3.5. Choix final des solvants
Conclusion
Références
Chapitre IV : Travail expérimental
Introduction
IV.1. Mesures à réaliser
IV.1.1. Données nécessaires
IV.1.2. Données disponibles
IV.1.3. Matériel
IV.2. Equilibres liquide-liquide
IV.2.1. Dispositif expérimental et protocole
IV.2.2. Résultats
IV.2.3. Discussions
IV.3. Equilibres liquide-vapeur
IV.3.1. Dispositif expérimental
IV.3.2. Résultats
Conclusion et Perspectives
Références
Chapitre V : Modélisation thermodynamique
Introduction
V.1. Rappels de thermodynamique
V.1.1. Equilibres de phases
V.1.2. Modèles thermodynamiques
V.2. Modélisation des équilibres liquide-liquide
V.3. Modélisation des équilibres liquide-vapeur
V.4. Evaluation des modèles
V.4.1. Evaluation du modèle ELL
V.4.2. Evaluation du modèle ELV
Conclusion et perspectives
Références
Conclusion générale
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