Biocarburants, une solution Ecologique?

Depuis plusieurs années on parle de biocarburants. Dans la pratique ce sont:
  • des huiles végétales plus ou moins transformées qui peuvent alimenter les moteurs diesels
  • de l'alcool éthylique de fermentation obtenu à partir de plantes à sucre ou de céréales.
  • il existe une possibilité d'employer la biomasse (plante entière) pour obtenir des carburants. Deux stratégies distinctes sont en concurrence: voie biologique ou voie chimique.
Avant d'entrer dans des détails il faut remarquer que les plantes employées
  • servent aussi en alimentation humaine pour ce qui est de l'éthanol,
  • pour les huiles c'est différent: souvent un tourteau de protéines est obtenu lors du pressage des graines et peut servir en alimentation animale
  • qu'une faible part du végétal fournit la matière première du carburant.
  • la culture nécessite du carburant pour les tracteurs. Le tracteur devra passer au moins 6 fois sur le terrain (épandre l'engrais, labourer, casser les mottes, semer, traiter aux phytosanitaires, récolter)
  • Que l'ordre de grandeur entre la consommation actuelle et les possibilités de production végétale ne permet pas du tout d'envisager une autonomie basée sur le végétal. On en est trés loin et cela sera toujours ainsi.Si on souhaite dévelloper les biocarburants à une échelle significative on devra créer une industrie lourde alimentée par des trés grande surfaces cultivées.
Il y a une tendance récente de pays "du sud" à vouloir devenir EXPORTATEURS de biocarburants. Dans la pratique cela consiste à augmenter beaucoup les surfaces cultivée donc à défricher encore plus. Cette augmentation de production agricole se fera par une augmentation et intensification et ne risque pas de se faire en Agriculture biologique! Je ne veux pas polluer cette page avec des considérations sur les OGM mais il est évident que le problème se posera aussi. On peut redouter que les cultures a vocation biocarburants ne profitent pas aux paysans mais seulement a des intermédiaires: c'est déja la règle partout pour les cultures alimentaires.
Il y a aussi une question de principe: faut-il admettre que ces cultures non alimentaires emploient des surfaces propres à l'alimentation? C'est trés important, parce que dans l'un des cas la production alimentaire entre en concurrence avec les besoins industriels. En effet il existe des plantes capables de pousser sur des terrains jusque là inutilisables.

Filière BTL Biomass To Liquid

Jusqu'à maintenant les biocarburants ne sont obtenus qu'avec une toute petite partie de la plante. Toute la biomasse existante n'est pas employée. Intuitivement, sachant qu un végétal peut bruler, on imagine bien que l'on pourrait faire mieux.

Stratégie biologique et Ethanol

En faisant appel à la biologie on vise la production d'éthanol. Il existe bien d'autres fermentations succeptibles de fournir du "combustible" comme la production d'acétone et butanol, mais elles parraissent moins prometteuses. Le but est d'obtenir de l'alcool à partir de TOUTE la matière végétale succeptible d'en fournir. En effet une plante est constituée en grande part de cellulose, hémicellulose, sucres divers (c'est assez compliqué) de lignine, d'autre matières (protéines, lipides, sels). Les études qui ont été faites jusqu'alors portent sur le moyen d'obtenir de l'Ethanol à partir de bois ou pailles ou déchets végétaux divers. Les difficultés sont nombreuses: on sait hydrolyser avec des enzymes la cellulose. La difficulté est d'obtenir aussi de l'alcool avec les sucres pentose qui entourent les fibres de cellulose. Ce qui est au point est la conversion des hexoses issus de la cellulose en éthanol. Pour des raisons biochimiques complexes il est trés difficile de créer par génie génétique des ferments capables de traiter aussi bien les pentoses et les hexoses. Des études nombreuses sont en cours. En particulier la fabrication de mélanges d'enzymes capables de dissoudre la cellulose et les xyloses. On se dirige vers la production sur place de ces enzymes par des cultures spécifiques séparées de la partie fermentation alcoolique. S'agissant de fermentation il faut penser que ces usines fourniront une grosse quantité de levures qui devront être valorisées. La levure de bière est une source de protéines et de vitamines. Elle peut servir en alimentation humaine une fois stérilisée a chaud (il ne s'agit plus de provoquer des fermentations mais de nourrir). Simultanément on libère des sucres à 5 Carbones qui ne peuvent pas fournir d'Ethanol avec les même levures. Quant à la lignine elle est séparée pour être brulée et alimenter en énergie le procédé.

Stratégie chimique

Ici on applique une technique bien au point qui au départ permettait de fabriquer à partir de charbon des combustibles liquides (essence ou diesel), le procédé allemand Fischer -Tropsch. Il a été mis au point en Allemagne pendant la Guerre en réaction au blocus qui les empéchait d'avoir du pétrole. J'avais lu un autre procédé ou il était possible d'obtenir un liquide huileux en chauffant sous vide du bois, ce qui aurait été trés intéressant. Malheureusement, en réalité, il se forme toujours du charbon, et là on n'a plus de liquide. L'idée était de travailler uniquement sur un mélange liquide représentant la totalité de la masse carbonée végétale. La gazéification Fischer-Tropsch fournit, elle, bien du gaz et un reliquat de sels minéraux. L'étonnant dans cette technique est que l'on arrive en quelques sorte a "revenir en arrière": le bois qui était formé de gaz carbonique et d'eau avec départ d'oxygène, fournit, moyennant une dépense d'énergie, un mélange gazeux de monoxyde carbone et d 'hydrogène: La réaction est totale. La page de l'Institut Français du Pétrole explique trés bien de quoi il s'agit. C'est un procédé en plusieurs étapes: la première consiste à chauffer fortement la matière organique en présence d'eau. On obtient un gaz de synthèse avec du monoxyde de carbone et de l'hydrogène. Cette étape a pour conséquence de simplifier beaucoup le problème que pose le trés grand nombre de molécules présentes dans la biomasse. Ensuite on applique le procédé en deux temps. D'abord réaction sur un catalyseur solide et obtention de cire (paraffines a chaines DROITES). Ensuite crackage des cires (à chaud encore) et obtention de carburants automobiles de trés bonne qualité.

Hydrogénation de déchets de cellulose (=bois)

Des chercheurs ont procédé a cette réaction en milieu gazole, a haute température et sous pression (je n'ai pas les détails exacts) et ils ont obtenu un carburant liquide huileux "instable". Je pense qu'il y a là un sujet de recherche intéressant tout comme l'action de gaz de synthèse sur des déchets végétaux. A priori on peut obtenir de l'hexane par hydrogénation totale de la cellulose et des propyl-benzènes avec la lignine. Tels quels seul les propyl-benzènes seraient interessant, l'hexane étant beaucoup trop volatile.

BIODIESEL

Les moteurs diesels actuels sont prévus pour un indice de cétane de 51. Cet indice est l'équivalent pour les moteurs diesel de l'indice d'octane pour ceux à essence. Un extrait d'un tableau présentant (Chimie Verte Editions Lavoisier) les indices de cétanes des huiles végétale et d'une graisse animale non définie montre que l'indice varie de 33 à 52 (huile non citée dans cet extrait).

ORIGINE

RENDEMENT

L/ha/an

INDICE CETANE
graines de coton 33.7
graine de pavot 36,7
graine de colza 572 37.5
graine de tournesol 662 36.7
graine de sésame 40.4
graine de lin 37.5
germe de blé 35.2
germe de maïs 37.5
graine de ricin 42.3
graine de soja 38.1
graisse animale ? 33.6
graine d'arachide 34.6
olive 49.3
Le PCS moyen de ces huiles est 39.5 kJ/kG.
Notons qu'à volume égal l'énergie délivrée par l'huile végétale est 7% inférieure au Gazole.
Le tableau montre aussi bien des huiles issues de plantes oéagineuses que d'autres présentes à l'état de trace dans les germes. En fait les huiles de germe sont isolées pour purifier les germes plutôt que pour produire de l'huile. Ces huiles de germe ne seront pas des combustible utiles.
La combustion des huiles telles quelles présente des inconvénients liés
  • à la viscosité plus grande
  • les démarrages sont plus difficiles
  • la présence d'huiles insaturées provoque une encrassement.
  • la présence de glycérine sous forme de triglycérides gras occasionne en conditions dégradées de combustion (changements de régimes brusques) la formation d'acroléine, aldéhyde trés irritante
  • Le rendement du moteur prévu pour l'indice 51 avec un indice de 37 est une cause de pollution supplémentaire.
Il y a une page d'informations assez complète Huiles Végétales Carburants sur Wikipédia. On trouve entre autres les Rendements à l'hectare de quelques oléagineux.
Il faut remarquer que les huiles végétales sont des triglycérides et que chaque molécule contient trois fois plus de carbone (environ) que le cétane. Donc ces triglycérides peuvent se craquer et former des résidus trés ennuyeux. La fabrication des esters de méthyle permet de retrouver des molécules qui ressemblent davantage au gazole.

Suggestion personnelle

Peut-être serait-il opportun de décarboxyler les acides gras ou craquer les triglycérides pour obtenir la paraffine a chaine droite correspondante. Cela ne nécesiterait aucun réactif extérieur (méthanol ou éthanol), juste de la chaleur. L'énergie de combustion serait pratiquement identique.

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