Expérience biodiesel TPE : production, procédés et enjeux des filières

Le biodiesel est un carburant renouvelable, alternatif et biodégradable qui peut-être utilisé dans les moteurs fonctionnant avec du diesel. Pour la fabrication de ce type de biocarburant, sont utilisées des plantes oléagineuses (plantes cultivées pour leur huile comme le colza, le tournesol ou bien le soja) qui subiront une réaction chimique appelée la transestérification. Après ce long processus, de l'ester méthylique d'huiles végétales est récupéré et incorporé dans un mélange de gazole.

Principes chimiques et matières premières

Les huiles végétales sont des denrées alimentaires qui se composent essentiellement de glycérides d'acides. et des chaînes de glycérol C3H8O3. contenu dans la molécule trilinoléate de glycéryle liées à la molécule de glycérol. Le biodiesel est miscible avec le diesel pétrole. Il peut également être conçu avec des huiles usagers filtrées.

Pour produire du biodiesel il faut tout d'abord extraire les lipides des graines de colza qui sont indispensables à la fabrication de ce carburant. Nous procédons donc à la liquéfaction des graines de colza : on broie et on chauffe ces graines dans de grandes cuves afin d'obtenir des flocons. Pour récupérer cette huile contenue dans cette pâte et de ne gâcher aucune matière première, nous dissolvons cette pâte brune avec un solvant. Le reste sera donné aux animaux d'élevages.

Une fois raffinée, c'est à dire débarrassée de l'eau et de ses impuretés, et donc nous avons à l'arrivée une huile plus concentrée en glycérol. Dans un moteur diesel il y a entre 10 et 30% de colza mélangé à du gazole. Pour la transformation, il ne faut pas avoir d'huile de colza en excès car il est impossible de séparer le colza du biodiesel.

Procédé expérimental typique (TPE réalisé au laboratoire)

Bonjour, ayant réalisé la synthese du biodiesel par transestérification au laboratoire de mon lycée, je m'apprête à en expliquer tous les mécanismes. Nous sommes partis sur une base de 100mL d'huile de colza. A l'aide d'un entonnoir, verser le colza et l'éthanol dans un ballon. Il suffit d'introduire délicatement le densimètre dans le biodiesel supposé. On observe que le niveau du densimètre à la surface du biodiesel se stabilise à 0.870.

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Dans le tableau on observe que la température d’ébullition de l'éthanol est de 78°C alors que celle du biodiesel est de plus de 200°C. Ainsi à l'aide d'un thermomètre on regarde la température des vapeurs au sommet du réfrigérant. Lorsqu'il indique 78°C l'éthanol s'évapore. Après évaporation de l'éthanol il n'y a plus de vapeurs donc le thermomètre redescend en température.

La densité de notre biodiesel est très proche de la densité théorique, la marge d'erreur est de 1%. Ce qui peut être justifié par différentes huiles de colza utilisées. Notre expérience est donc réussie.

Étapes de production et traitement de l'huile

1. Trituration. paille, ...
2. Extraction. très fortes pressions.
3. Neutralisation. à l'eau chaude.
4. Décoloration. généralement ( sorte d'argile ). récupérée par filtration. meilleur goût.
5. Désodorisation. pour augmenter son temps de conservation. pour la cuisine.

Les esters sont des composants des arômes de fruits. sont souvent des esters. principale qui provient de l'acide carboxylique. alkyle provenant de l'alcool. technique classique de production de biodiesel. méthanol ou de l'éthanol ). viscosité par 2 et d'accroître la volatilité.

Filières de biocarburants : 1G, 2G et 3G

Ces biocarburants sont classés en trois générations successives. Les biocarburants de première génération sont issus des parties alimentaires de plantes de grande culture : le bioéthanol et le biodiesel. Les biocarburants dits « avancés » de seconde génération sont issus de ressources lignocellulosiques (bois, résidus agricoles...) valorisées soit en bioéthanol soit en hydrocarbures de synthèse. Une troisième génération repose sur la culture de micro-algues productrices d’acides gras transformés en biodiesel.

Les biocarburants 2G sont définis (Singh et Singh, 2010 ; Karmakar et al., 2010) comme étant issus de la biomasse lignocellulosique (BLC) ressource non alimentaire, disponible en grandes quantités et sous différentes formes (bois, résidus forestiers ou agricoles, co-produits d’industries du bois ou agroalimentaires, cultures dédiées, voire certains déchets ligneux). La voie biochimique désigne la filière de valorisation par hydrolyse de la lignocellulose, puis fermentation des sucres. Le produit final principal est l’éthanol dit « cellulosique ».

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La figure 2 illustre la voie la plus répandue qui est la synthèse catalytique Fischer-Tropsch (FT). Les procédés de gazéification de biomasse sont aujourd’hui bien connus et maîtrisés en cogénération ; en revanche, pour des applications biocarburants, la complexité technologique place encore cette voie au stade de la recherche-développement et de la démonstration.

Le principe des biocarburants de troisième génération repose sur la production par des algues (micro- ou macroalgues) de produits qui peuvent être extraits et valorisés en biocarburants. Les microalgues constituent une nouvelle ressource en biomasse qui permet d’obtenir ce que l’on peut appeler des « algocarburants » sous formes, soit de bioéthanol, soit de biodiesels (Fig. 3).

ces microorganismes peuvent accumuler des acides gras jusqu’à 80 % de leur poids sec permettant d’envisager des rendements à l’hectare supérieurs d’un facteur 50 aux espèces oléagineuses terrestres comme le colza et d’un facteur 10 à l’huile de palme industrielle. Les nombreux avantages annoncés par rapport aux autres types de biocarburants sont toutefois contrebalancés par de nombreux verrous technologiques et incertitudes autour des bilans technico-économiques et environnementaux.

Impacts environnementaux, CAS et bilans GES

Les biodiesels de première génération, tout comme ceux de deuxième et troisième générations, sont sujets à certaines critiques notamment le CAS (changement d’affectation des sols) et la compétition alimentaire/énergétique. Les biodiesels de première génération utilisent des matières premières destinées à l’alimentation animale ou humaine et posent ainsi des questions éthiques.

Un enjeu-clé des biocarburants, qu’ils soient de première génération ou carburants « avancés », et qui affecte leurs bilans GES, est l’existence potentielle de changements d’affectation des sols (CAS). la compétition d’usage des sols. Ici, le besoin de terres pour la production de biocarburants engendre un accroissement de la surface agricole cultivée, qui se fait au détriment d’autres usages non alimentaires (terres en jachère, forêts, etc.) ou d’usages destinés à la production animale (pâturages notamment) dont l’activité doit alors globalement s’intensifier.

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Ces CAS jouent un rôle important pour les bilans GES des biocarburants puisque l’usage d’un sol conditionne fortement le stock de carbone accessible, tant dans le sol que dans la biomasse aérienne (arbres essentiellement). Toutefois, si l’enjeu majeur des CAS est clairement reconnu, toute la difficulté consiste à pouvoir les identifier clairement. C’est pourquoi ce point concentre aujourd’hui l’essentiel des incertitudes et constitue certainement la source principale des débats concernant l’intérêt des biocarburants de première et deuxième générations vis-à-vis du changement climatique.

Les bilans environnementaux des biocarburants de deuxième génération, basés sur des descriptions prospectives de filières, possèdent un degré d'incertitude supérieur à ceux de la première génération. Toutefois, l'ensemble des études réalisées s'accorde globalement sur une réduction potentielle des impacts environnementaux associés à la deuxième génération, en comparaison avec la première. Les biodiesels basés sur des cultures dédiées conduisent à des impacts environnementaux plus réduits mais jouent un rôle dans la problématique des CAS. Alors que celles basées sur les résidus n’y entrent pas et montrent des niveaux de réduction des émissions de gaz à effet de serre entre 83 et 90 % contre 60 à 80 % pour un biodiesel classique par rapport à un carburant diesel fossile.

Applications agricoles et études de faisabilité

«Les biocarburants liquides produits de manière durable représentent un élément clé pour la décarbonisation future des applications de machinisme agricole à haute performance», peut-on lire dans un communiqué de presse. Dans ce contexte, Claas, le Centre de technologie et de promotion allemand (TFZ) et les domaines publics bavarois (BaySG) étudient la faisabilité technique et la conformité des émissions du biodiesel pur B100 dans l'utilisation agricole pratique.

Pour ce faire, Claas vient de remettre un nouveau tracteur de type «Arion 470» de niveau d'émission 5. L'institut de recherche bavarois TFZ étudie le comportement des gaz d'échappement au banc d'essai et dans la pratique ainsi que la longévité des tracteurs modernes fonctionnant au biodiesel.

Alternatives et carburants renouvelables commerciaux

Il faut également citer les HVO (Hydroprocessed Vegetable Oil) ou HEFA (Hydroproceed Ester and Fatty Acids) pour le secteur aéronautique qui sont des gazoles obtenus par hydrotraitement d’acides gras et qui peuvent être incorporés sans limite de mélange dans les gazoles ou les jets fuels conventionnels d’origine fossile. Le HVO100, le carburant qui réduit les émissions de CO2. C’est un gazole paraffinique de synthèse, certifié durable, conformément à la directive énergies renouvelables de l'Union Européenne.

Il est composé à partir d’huiles végétales durables, ou à partir du retraitement de déchets comme les graisses animales ou les huiles de cuisson et huiles résiduelles. Ce biocarburant a la même structure chimique qu’un carburant standard et il peut être utilisé sans problème à 100 % dans un moteur. Grâce à son origine renouvelable, l’utilisation du carburant HVO100 vous permet de réduire d’au moins 50 %, et jusqu’à 90 % vos émissions de CO2 par rapport à un carburant standard sur l’ensemble du cycle de vie du produit ; Sa nature paraffinique vous permet de gagner 5 % supplémentaires sur vos émissions de CO2 à la combustion.

Le bioGNV affiche de nombreux avantages pour les professionnels. Identique au GNV du point de vue de sa composition chimique, il est issu du biométhane et produit à partir de déchets verts.

Rendements, échelle et verrous technologiques

Le plus abouti techniquement, le biodiesel issu de la filière BtL impose qu’afin de minimiser les pertes thermiques et bénéficier des économies d’échelle, la capacité de production envisagée des projets soit supérieure à 100 000 tonnes de carburants. Compte tenu du rendement matière massique de l’ensemble de la chaîne de procédés, 18 % pour un fonctionnement à 100 % à partir de biomasse lignocellulosique avec une efficacité énergétique comprise entre 35 et 40 %, la mobilisation d’une très grande quantité de biomasse, de l’ordre du million de tonnes par an, est ainsi rendue nécessaire.

Les prospectives d'ordre de grandeur des rendements matières attendus à 2050 sont de 30 % pour les voies BtL et éthanol cellulosique. À cela s’ajoutent les enjeux environnementaux. De façon résumée, il est à noter le choix des espèces en fonction des conditions de production envisagée car il existe des espèces marines ou d’eau douce, certaines adaptées au froid et d’autres au milieu tropical.

Les conditions de stress pour induire la synthèse de lipides à vocation énergétique peuvent nécessiter des conditions artificielles de croissance, soit un éclairement constant, soit du froid ou de la chaleur, la consommation d’eau selon la filière peut aussi être une contrainte. Il demeure deux verrous importants : la récolte de microorganismes en milieu aqueux et l’extraction puis la purification des huiles obtenues.

Aspects réglementaires et sociaux

Pour éviter une surproduction alimentaire la loi européenne oblige les agriculteurs a laisser 10% de leurs terres en jachère. En France, c'est principalement le colza qui est utilisé pour la fabrication des EMHV (esters méthyliques d'huiles végétales). Les biodiesels de première génération, les seuls utilisés, sont sujets à certaines critiques notamment le CAS (changement d’affectation des sols) et la compétition alimentaire/énergétique.

Les biocarburants de première génération, ou 1G, sont issus des parties alimentaires de plantes de grande culture. Ils sont de deux types : le bioéthanol (pour les moteurs à essence) provenant de la fermentation de sucre de betterave ou de canne, ou de l’amidon des céréales, et les esters méthyliques d’huiles végétales (EMHV) qui composent le biodiesel (destiné aux moteurs diesel) produits à partir de différentes sources d’acides gras, notamment les huiles végétales.

Tableau synthétique : comparaison des filières (extrait des données du texte)

Contexte énergétique mondial et nécessité de la transition

Le réchauffement climatique lié à une production non maîtrisée de gaz à effet de serre est aujourd’hui une préoccupation majeure au niveau mondial. Dans le monde, le pétrole assure 96 % des besoins des transports, lesquels mobilisent 65 % du pétrole consommé et participent à hauteur de 20 % aux émissions de CO2. En 2018, 81,3 % des énergies primaires extraites dans le monde provenaient encore des ressources fossiles (pétrole, charbon, gaz naturel).

Il est donc nécessaire que des solutions alternatives soient trouvées afin de réduire la consommation d’énergie issue de ressources fossiles pour ce secteur. Une des alternatives est notamment l’utilisation de ressources renouvelables dont la biomasse végétale pour la production de « biocarburant ».

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