Pour tenir les objectifs de substitution des produits pétroliers dans les transports, il faudra aller au delà de la conversion en biocarburant des surplus agricoles, en mobilisant une ressource plus abondante et moins chère : la matière lignocellulosique.
Cet article a été préparé par Marilyne Oswald à partir du rapport "L'éthanol cellulosique entre incertitudes et espoirs" réalisé par Philippe Jamet, du service pour la Science et la Technologie de l'ambassade de France aux Etats-Unis, que nous remercions pour sa collaboration.
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Glossaire :
[1] Bioraffineries : industries biointégrées, produisant à partir de biomasse des produits chimiques, des biocarburants, de l'énergie, des agromatériaux et / ou des aliments et ingrédients alimentaires.
[2] Ethanol cellulosique : la locution est aussi employée abusivement pour désigner les filières non céréalières de fabrication d'éthanol ou autres alcools à partir de déchets organiques, boues de station d'épuration, déchets ménagers, algues, etc.
La production de carburants alternatifs est devenue un enjeu prioritaire aux Etats-Unis. Près de 20% du maïs cultivé par le pays est actuellement utilisé par la filière des biocarburants. Le problème qui se pose à présent est la compétition qui s'instaure entre les productions alimentaires de céréales et les productions non alimentaires. Le grand espoir face à cette crise imminente est une technologie baptisée éthanol cellulosique, qui vise à transformer en carburant toutes sortes de matières végétales - des tiges de maïs à la paille de blé, en passant par les déchets des coupes forestières.
Réalisés à partir de molécules d'origine agricole, les biocarburants associent à des propriétés techniques des qualités environnementales. A ce jour, ils sont la plupart du temps issus de plantes cultivées telles que maïs, betteraves, colza, ou tournesol. Pour le moment, trois biocarburants couvrent la presque totalité de la consommation dans le secteur du transport à l'échelle mondiale : le bioéthanol, le biodiesel et le biogaz. Il faut toutefois remarquer que la production mondiale de biocarburant est dominée par le bioéthanol. L'Union européenne constitue le troisième producteur mondial en la matière, loin derrière le Brésil et les Etats-Unis qui comptent chacun pour 40% de la production mondiale. Cependant, les biocarburants actuels, dits de première génération, sont chers et gourmands en surfaces cultivables. En dix ans, la production annuelle de bioéthanol aux Etats-Unis est passée de moins de 5 millions de mètres cubes à plus de 18 millions et opère actuellement à un rythme mensuel supérieur à 2 millions de mètres cubes. Plus de 130 bioraffineries [1] sont en activité dans 260 états et 84 sont en construction ou en extension de capacité. Mais, couvrir la totalité du territoire américain de maïs ne suffirait pas à atteindre l'objectif fixé par George W. Bush dans son Discours sur l'état de l'Union : 35 milliards de gallons (130 millions de mètres cubes) de carburants alternatifs en 2017.
Deux filières de productions envisagées
Les biocarburants de seconde génération ne présentent pas ces inconvénients, notamment l'éthanol cellulosique [2] qui est issu de biomasse agricole, de résidus ligneux ou de cultures dédiées. En effet, pour produire de l'éthanol cellulosique, il est possible d'utiliser une large gamme de cultures, à croissance rapide, non utilisées dans la production alimentaire et praticables sur des sols qui ne requièrent pas les mêmes exigences, telles que le miscanthus, le switchgrass, la luzerne, le sorgho, la canne de Provence... Le potentiel de production est donc beaucoup plus important. Autre avantage, dans le cas des biocarburants de seconde génération, la plante entière est valorisée.
La biomasse lignocellulosique est constituée des trois polymères de la paroi cellulaire végétale : la cellulose, les hémicelluloses et la lignine. Ces trois polymères sont étroitement associés entre eux dans les différentes couches de la paroi, formant une matrice rigide difficile à déstructurer. Ainsi, les technologies de transformation de la cellulose sont complexes, allant de la dégradation enzymatique à la gazéification. Deux filières de production sont essentiellement envisagées : une filière thermochimique qui vise à produire du BtL (Biomass to Liquid, carburant de synthèse liquide) et la filière biochimique qui permet la production d'éthanol. La voie Btl comporte trois grandes étapes : le conditionnement de la biomasse (pyrolyse ou torréfaction), la gazéification et le traitement du gaz de synthèse, et la synthèse du carburant proprement dite selon la réaction de Fischer-Tropsch. Les carburants, gazole et kérosène, issus de ce procédé ne contiennent ni souffre ni composés aromatiques et peuvent être utilisés - purs ou en mélange - dans les moteurs actuels. Les différentes étapes conduisant à la production d'éthanol à partir de matériaux lignocellulosiques sont proches de celles pratiquées sur le maïs ou le blé. Seules les deux premières étapes sont spécifiques de la filière de seconde génération : réduction de la matière première à l'état de biomasse (déstructuration de la matière lignocelluosique par broyage et chauffage en milieu acide) puis conversion de la cellulose en glucose à l'aide d'enzymes (hydrolyse enzymatique). Cette seconde opération est aujourd'hui très pénalisante sur le plan économique car la quantité d'enzymes nécessaire se situe dans un rapport estimé entre 10 et 100 par rapport à celle des filières traditionnelles. C'est pourquoi, elle fait l'objet de nombreux travaux de recherche qui visent à optimiser le procédé en augmentant l'activité des enzymes. Le bilan énergétique des biocarburants de seconde génération est évidemment supérieur à ceux de première génération. Actuellement la filière éthanol produit 1,2 unité d'énergie pour 1 unité de végétaux utilisée ; le rapport est de 2,4 pour la filière biodiesel. Selon l'Institut français du pétrole, les carburants de seconde génération produiront 3 à 4 unités d'énergie pour 1 unité de végétaux consommée (voir "Taux de substitution de carburants réalisable en Europe et en France" en fin d'article).
Des stratégies industrielles variées
Pour de nombreux opérateurs industriels impliqués dans les biocarburants aux Etats-Unis, l'éthanol cellulosique s'inscrit en première ligne dans leur stratégie à long terme. Cependant plusieurs modèles industriels apparaissent. Les sociétés qui ont déjà une expérience établie dans l'éthanol-maïs envisagent l'éthanol cellulosique comme une extension de cette première activité par la valorisation des résidus des récoltes comme le fourrage de maïs et la paille de blé. Les questions logistiques sont dans ce cas simplifiées puisque les fournisseurs et leur distribution géographique sont identiques à la filière éthanol-maïs. Le DoE (Department of Energy) soutient en ce sens les projets des sociétés Poet et Abengoa en injectant 80 millions de dollars dans leurs projets d'augmentation de capacité de leurs usines de production de bioéthanol en y incluant l'éthanol cellulosique.
D'autres sociétés font le pari de filières différentes. Verenium, une société opérant dans le delta du Mississippi s'intéresse aux autres résidus agricoles ou aux cultures dédiées comme la bagasse. Lignol Energy Corporation implantée en Colombie Britannique se spécialise dans les résidus de la filière bois (copeaux, liqueurs de l'industrie papetière). Une problématique les rassemble tout de même : les sociétés de biotechnologies productrices d'enzymes sont indispensables à leur développement. A tel point que Verenium est une compagnie "intégrée" puisqu'elle résulte de la fusion d'un fabricant d'enzymes et d'un producteur d'éthanol.
Dans l'objectif de briser cette dépendance enzymatique, un troisième groupe d'industriels cherche à optimiser les méthodes de transformation par voie thermochimique. Ces procédés ont de plus l'avantage de permettre, en plus de l'éthanol, la production d'une large gamme de produits plus favorables en termes d'intensité énergétique comme le propanol ou le butanol. Cette valeur ajouté permettrait de consolider les coûts d'investissement importants de cette filière : le procédé Fischer-Tropsch requiert jusqu'à 13 dollars d'investissement par gallon de produits finis. C'est la raison pour laquelle le DoE a lancé un programme pour le développement d'enzymes à faible coût. Selon les fabricants (Genencor, Novozymes) les coûts ont déjà fortement diminué depuis 1999. De l'ordre de 4 à 5 dollars par gallon il y a 5 ans, il devrait être possible à court terme de réduire ce prix d'un facteur 10 à 30.
Fragilité logistique de la filière
Cependant, les perspectives enthousiasmantes offertes par l'éthanol cellulosique ont pu être confrontées à la réalité du terrain lors du Cellulosic Ethanol Summit qui s'est déroulé à Washington du 15 au 17 octobre 2007. Ce sommet a permis de mesurer les obstacles qui se dressent encore devant la mise en place d'une filière économiquement viable. En effet, même si les techniques ont été largement améliorées au laboratoire ces dernières années, il y a encore peu de passage à l'échelle industrielle. Seules six premières unités de production d'échelle commerciale seront opérationnelles aux Etats-Unis d'ici à 2010. Le DoE couvrira jusqu'à 40% des frais de construction de ces nouvelles usines ; le Gouvernement ayant décidé en 2007 de subventionner massivement la construction d'usines de production d'éthanol cellulosique à hauteur de 385 millions de dollars investis d'ici à 2011. Mais ce sont les questions de logistiques, largement évoquées à l'occasion du sommet, qui constituent les enjeux les plus considérables. La bonne appréhension et gestion des problèmes de collecte et de transport des matières premières, des implications en termes de pratiques agricoles (mécanisation du ramassage et formation du personnel) ainsi que de la gestion des flux de matière représentent les clés du succès de toute la filière éthanol cellulosique. Ces questions se traduisent évidemment en termes de coût qu'il va falloir arriver à diminuer au maximum.
Aujourd'hui, le coût total "du champ à la raffinerie" est estimé environ à 30 dollars la tonne : mise en balles 12 dollars la tonne, mise en tas dans les champs 3 dollars la tonne, stockage et transport 12 dollars la tonne. Certains experts ne sont pas d'accord avec cette estimation et avancent un coût pouvant atteindre 70 à 90 dollars ce qui ramené au prix du gallon d'éthanol cellulosique pourrait atteindre 1 dollar par gallon rien que pour la logistique (la moitié de la valeur du gallon d'éthanol-maïs). Ces obstacles poussent la filière à chercher des solutions originales comme la conception de nouvelles machines agricoles combinées permettant de récolter simultanément produits et résidus. La délocalisation de l'ensemble des prétraitements des résidus est également envisagée avec le stockage au niveau du site agricole des jus concentrés produits avant l'acheminement jusqu'au site de fermentation et de raffinage.
De plus, les acteurs de la "demande" (constructeurs automobiles et distributeurs) constatent un manque de couplage entre l'offre et la demande. Cette situation actuelle est qualifiée du "problème de la poule et de l'oeuf" : le marché attend les biocarburants et les biocarburants attendent le marché. Ce contexte amène les acteurs industriels de la filière à constater une frilosité des investisseurs. En l'absence d'une expérience commerciale réussie et même si les technologies fonctionnent, les financeurs ne peuvent évaluer les risques. Pourtant, l'évaluation du potentiel de biomasse mobilisable pour la production de carburant d'origine végétale montre que si les biocarburants ne remplaceront probablement jamais l'ensemble des produits pétroliers utilisés dans les transports, ils se révèlent être une alternative qui ne peut être négligée.
Le point sur :
Taux de substitution de carburants réalisable en Europe et en France
En Europe, 3,4 Mtep de biocarburant ont été produits en 2005 : soit 2,86 Mtep de biodiesel et 0,47 Mtep de bioéthanol. D'ici 2010, un maximum de 16 Mtep de biocarburants de première génération permettrait de substituer 5,7% des carburants pétroliers. Une fois les procédés de seconde génération développés, 29 à 46 Mtep de biocarburants pourront être produits, faisant potentiellement passer le taux de substitution des carburants routiers de 5 à 15% vers 2015.
En France, 0,4 Mtep (0,34 Mtep de biodiesel et 0,06 Mtep de bioéthanol) a été produit en 2005. Il est prévu qu'un maximum de 5,3% du gazole et 45% de l'essence pourrait être substitué, avec les seuls produits de première génération. A terme, la production de biocarburants pourrait atteindre entre 8 et 12 Mtep grâce à la lignocellulose. Le taux de substitution des carburants pourrait ainsi passer de 11 à 30%.
