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Vous êtes ici : Accueil > Technique > Mémoires > Biocarburants de 2ème génération : comment se positionnent les papetiers ? Révision : 30 septembre 2008  
Biocarburants de 2ème génération : comment se positionnent les papetiers ?
             Julie VALLÉE et Romain BEHAGHEL

Élèves ingénieurs 2e Année
 Mai 2008
Mise en ligne - Octobre 2008

Avertissement
Ce mémoire d'étudiants est une première approche du sujet traité dans un temps limité.
À ce titre, il ne peut être considéré comme une étude exhaustive comportant toutes les informations
et tous les acteurs concernés.

 

       
     
  Plan  
I - Introduction
II - 1ère génération : état des lieux
III - Biocarburants de 2ème génération
IV - Conclusion
V - Bibliographie
VI - Webographie
     
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I - Introduction
Plan 

                Les biocarburants, 
  réponse possible à la crise de l'énergie      
  Figure 1 - Les biocarburants, réponse possible
à la crise de l'énergie
 
   
  Voir aussi

Face à la hausse du prix du baril de pétrole, à la demande énergétique qui progresse à un rythme soutenu et aux tensions environnementales, il est nécessaire de développer de nouvelles formes d’énergie. Les biocarburants apparaissent comme une réponse possible.

Trois types de cultures permettent la production de biocarburants : les oléagineux (colza, tournesol…), les végétaux producteurs de sucres fermentescibles (betteraves, canne à sucre, topinambours…) et les végétaux ligno-cellulosiques (bois, paille…).

Il existe deux générations de biocarburants, la frontière étant basée sur la matière première utilisée pour leur fabrication. En effet, la première génération est issue de produits agricoles servant également à l’alimentation. Pour beaucoup, le terme "biocarburant" est un raccourci commode pour ce qui devrait s'appeler "carburant d'origine agricole" ou "agrocarburant". La deuxième génération se distingue car elle utilise la biomasse ligno-cellulosique qui, elle, a une vocation purement énergétique.

Ce mémoire de veille étudie la pénétration des biocarburants de 2ème génération sur le marché des biocarburants de 1ère génération. Cette approche est faite du point de vue des papetiers, acteurs majeurs de ce marché émergeant. En premier lieu, sont décrites les grandes lignes du marché de la 1ère génération concurrencé par les biocarburants de 2ème génération et ceci afin d’illustrer ses limites. Ensuite, les acteurs de la 2ème génération de biocarburants sont examinés plus en détail.

II - 1ère génération : état des lieux
Plan 

Avant tout, pour bien comprendre les enjeux liés aux biocarburants, il faut s'attarder sur la filière de 1ère génération. En effet, l'étude de l’arrivée sur ce marché des biocarburants de 2ème génération nécessite au préalable une vision globale de ce qui se fait déjà en matière d’agrocarburants.

II-1 - Point sur les catégories d'agrocarburants

Classification d'après le document de Jean-Marc Jancovici : "Que pouvons-nous espérer des biocarburants".
Il existe classiquement trois grandes filières de biocarburants de 1ère génération : l'huile, l'alcool et le gaz.

II-1-1 - La filière huile

Les combustibles sont obtenus à partir de cultures de plantes oléagineuses - des plantes qui peuvent fournir de l'huile -, essentiellement le colza, le tournesol et le palmier à huile.

Dans cette catégorie se trouvent :

II-1-2 - La filière alcool

Les combustibles sont obtenus à partir d'alcools (méthanol, éthanol). Les cultures concernées sont celles qui peuvent fournir des matériaux capables de fermenter pour donner un alcool. Toutes les cultures sucrières sont donc éligibles (betterave, canne) mais aussi celles qui donnent de l'amidon (le blé par exemple), lequel par hydrolyse produit ensuite du sucre.

Dans cette catégorie entrent :

II-1-3 - La filière gaz

Les combustibles sont obtenus à partir du méthane contenu dans le biogaz (de 50% à 90%, le reste étant essentiellement du CO2 et de la vapeur d’eau). Le biogaz est ce qui résulte de la fermentation, hors de la présence d'oxygène, de n'importe quel matériau organique : déchets alimentaires, déchets de bois, paille, produits des cultures…Ce méthane peut être utilisé pur dans des moteurs à allumage commandé technologie moteurs à essence ou dans des moteurs dits dual-fuel. Il peut aussi alimenter un procédé industriel de fabrication de combustibles liquides à partir de gaz (procédé Fischer-Tropsch).

II-1-4 - Les sous-produits

Ces diverses filières peuvent fournir des "co-produits" valorisables :

II-2 - Un marché qui tend à se développer

Les figures 2 et 3 ci-dessous illustrent l’état du marché des biocarburants de 1ère génération en 2005. Il faut noter que la consommation mondiale de pétrole dans les transports routiers en 2005 était de 1,6 milliards de tonnes.

                Production mondiale d'EMHV (Diester) et d'éthanol en 2005      
  Figure 2 - Production mondiale d'EMHV (Diester) et d'éthanol en 2005
Source :
Les biocarburants en Europe. Note de synthèse panorama 2007. IFP
 
     

Comme le montrent les chiffres ci-dessus, les agrocarburants (EMHV et éthanol) représentaient 2,5 % de la consommation mondiale en produits pétroliers pour les transports en 2005. Une production très largement due au Brésil et aux États-Unis.
Encore embryonnaires en Europe à la fin des années 1990, les agrocarburants ont aujourd’hui le vent en poupe. En mars 2008, Bruxelles a annoncé qu'en 2020, ils devront représenter 10 % de la consommation totale d'essence. Cette politique énergétique vise trois objectifs : réduire les émissions de CO2, diminuer la dépendance énergétique et soutenir le revenu des agriculteurs. Toutefois, les questions soulevées par le développement des biocarburants de 1ère génération sont multiples : concurrence avec l’alimentation avec des impacts géopolitiques importants, bilan carbone pas si "vert" que cela, atteinte à la biodiversité,…

II-3 - Les limites de la 1ère génération

II-3-1 - Du fait de la nature des agrocarburants

Cependant, le développement des biocarburants de 1ère génération n’explique pas à lui seul la flambée des prix des céréales. Selon certains spécialistes, elle est avant tout due aux croissances spectaculaires de l’Inde et de la Chine qui consomment toujours plus de céréales et de viandes. Or, la base de l’alimentation bovine est constituée de céréales. Les mauvaises conditions climatiques et la spéculation figurent aussi dans le rang des accusés. Quoiqu’il en soit, il reste une interrogation majeure concernant ces agrocarburants : sont-ils efficaces en matière de lutte contre les gaz à effet de serre ?

II-3-2 - D'un point de vue "vert"

En matière de gaz à effet de serre, le carburant issu de la biomasse engendre des émissions de CO2 fossile à travers :

II-3-3 - En termes de rendement, donc de surfaces nécessaires

L’une des plus grandes limites des biocarburants de première génération réside dans les ambitions mêmes qui leur sont associées. Cette dernière partie tente donc de montrer l’absurdité d’une approche visant à remplacer notre consommation de produits pétroliers par ces biocarburants.
Sur la base des rendements bruts des cultures utilisées pour les diverses filières évoquées en première partie, nous pouvons donner un ordre de grandeur des surfaces qu'il faudrait mobiliser pour remplacer l'intégralité du pétrole utilisé pour les transports en France, soit 50 millions de tonnes (notées 50 Mtep).

Filière Culture initiale Poids brut
de carburant
obtenu par hectare (Tonnes)
Équivalent
pétrole par tonne de carburant
(Tonnes)
Énergie brute
produite par Ha
 (tonnes équivalent
pétrole)
Surfaces minimum mobilisés pour
produire 50 Mtep
(Km2)
Surfaces mobilisées du territoire français
(%)
Surfaces mobilisées des superficies cultivées en 1997
(%)
Huile Colza 1,37 1 1,37 365 000 66 232
Huile Tournesol 1,06 1 1,06 472 000 86 300
Éthanol Betterave 5,78 0,69 3;98 125 000 23 80
Éthanol Blé 2,55 0,69 1,76 284 000 52 183

Tableau 1 - Source : JANCOVICI J.M. Que pouvons-nous espérer des biocarburants ?, 2004

Les pourcentages ci-dessus, calculés sur la base de productions brutes, sont déjà significatifs : nous comprenons tout de suite que nous ne roulerons jamais totalement au colza ou au tournesol, car sans même parler des pertes lors du process lui-même, cela nécessiterait des disponibilités en terres arables qui sont totalement hors de portée.

Nous pouvons affiner notre analyse en tenant compte :

Ainsi, à peu près toutes les filières de biocarburants produisent en même temps des produits qui servent à l'alimentation animale des élevages hors sol. Tant que nous conservons des tailles importantes de cheptel bovin ou porcin, ces produits peuvent être valorisés. Cependant, on peut envisager un scénario où l’on souhaite limiter les nuisances environnementales en diminuant les tailles des élevages tout en augmentant la production de biocarburants. Dans un tel contexte, ces sous-produits ne pourraient plus être valorisés dans leur totalité : on aurait donc des déchets. Considérant les quantités concernées, l’analyse du devenir de ces sous-produits est primordial pour le calcul du rendement de la filière biocarburants de 1ère génération. Par exemple, pour le colza, le tourteau représente plus de la moitié du poids de la graine. Ceci veut dire, d’un point de vue énergétique, que plus de la moitié des calories dépensées pour la fabrication des engrais ou utilisées par les engins agricoles est affectée au tourteau ! Pour les betteraves, les pulpes (ce qui reste après extraction de jus riche en sucre) comptent pour environ la moitié de la matière sèche totale.

Par conséquent, si nous affectons au biocarburant l'ensemble des consommations intermédiaires, les productions nettes deviennent moins bonnes.

Filière Culture initiale Énergie brute produite par Ha (Tonnes équivalent pétrole) Énergie nécessaire pour les engrais, la culture et la distillation
(Tonnes équivalent pétrole par Ha)
Énergie nette
produite par Ha
 (tonnes équivalent
pétrole)
Surfaces minimum mobilisés pour
produire 50 Mtep
(Km2)
Surfaces mobilisées du territoire français
(%)
Surfaces mobilisées des superficies cultivées en 1997
(%)
Huile Colza 1,37 0,5 0,87 574 000 104 365
Huile Tournesol 1,06 0,29 0,77 648 000 118 413
Éthanol Betterave 3,98 3,22 0,76 660 000 120 420
Éthanol Blé 1,76 1,72 0,004 14 800 000 2700 9400

Tableau 2 - Source : JANCOVICI J.M. Que pouvons-nous espérer des biocarburants ?, 2004

Toutes les cultures sont à peu près à égalité et restituent environ 0,75 tonne équivalent pétrole par hectare, sauf le blé qui ne restitue quasiment rien.

Pour produire 50 millions de tonnes équivalent pétrole, il faut donc mobiliser, en ordre de grandeur, 3 à 4 fois les terres agricoles actuelles. Bien évidemment cela n'est pas possible, et même satisfaire 10% de la consommation actuelle des transports avec des biocarburants nécessite la mobilisation de 30 à 40% des terres agricoles actuelles.

II-4 - 1ère génération : un bilan mitigé…

Les calculs d'ordre de grandeur ci-dessus montrent que l'on peut néanmoins envisager quelques millions de tonnes de biocarburants en France sans inconvénient ingérable. Ainsi, alors qu’il est impensable de satisfaire notre consommation énergétique actuelle par des biocarburants, il est tout de même envisageable d’affecter cette source d’énergie à des secteurs particuliers : le monde agricole par exemple.
En effet, la consommation de produits pétroliers de l'agriculture est de l'ordre de 4 Mtep dans le pays. Pourquoi ne pas affecter prioritairement ces biocarburants pour faire rouler les engins agricoles ? On pourrait ainsi partiellement protéger des soubresauts du marché pétrolier les agriculteurs, une profession souvent financièrement tendue.

C’est ainsi qu’apparaît la véritable problématique derrière les biocarburants de première génération : un vrai problème de politique agricole et un enjeu secondaire de politique énergétique.
Toutefois, concernant l’enjeu énergétique, la seconde génération de biocarburants peut-elle être à la hauteur ? En effet, on voit apparaître ici les avantages incontestables de la 2ème génération par rapport à la 1ère génération : leur transformation en énergie éviterait de mettre en concurrence les usages alimentaires et énergétiques de l'agriculture. Ils permettraient de valoriser l'ensemble de la plante (la matière ligno-cellulosique) et non plus seulement ses graines, comme c'est le cas actuellement (excepté pour la canne à sucre). Au lieu d'épandre engrais et pesticides pour faire du maïs ou du colza, par ailleurs gourmands en eau, il serait possible de valoriser toutes sortes de végétaux : plantes, pailles, taillis, bois... voire des déchets ménagers. Face à cette aubaine potentielle, les papetiers, seuls industriels qui font réellement de la chimie du bois à grande échelle, commencent à plancher sur la question.

III - Biocarburants de 2ème génération
Plan 

Avant d’examiner de plus près les caractéristiques des biocarburants de 2ème génération, un point technique s'impose.

III-1. Synthèses techniques

Deux voies se dessinent pour transformer la biomasse ligno-cellulosique en biocarburants.

III-1-1 - La voie biochimique

La voie biochimique a pour but d’hydrolyser la biomasse ligno-cellulosique (BLC) afin d’en extraire des sucres qui seront ensuite fermentés. Le principal produit obtenu est l’éthanol cellulosique fabriqué en quatre étapes.

Pré-traitement

Cette étape vise à séparer et rendre accessibles les constituants du bois. Par action thermique et/ou chimique, la structure de la lignine est détruite, l’hémicellulose est plus ou moins hydrolysée et la cellulose modifiée. L’enjeu consiste à préparer l’hydrolyse de la cellulose tout en empêchant la formation d’inhibiteurs. Il existe plusieurs procédés, dépendant du substrat et du type d’hydrolyse qui va suivre, les plus courants étant :

Hydrolyse

L’hydrolyse de la cellulose, plus difficile que celle des hémicelluloses, doit être catalysée soit par un acide, soit par des enzymes :

Fermentation éthanolique

Basée sur un principe maîtrisé depuis des siècles, l’utilisation de BLC comme substrat implique néanmoins des difficultés : pentoses difficilement convertis en éthanol, inhibiteurs de la fermentation qui sont créés, rendements faibles, coûts élevés…

                Schéma de la filière biochimique      
  Figure 3 - Schéma de la filière biochimique
Source : INERIS. Les biocarburants à partir de ressources lignocellulosiques :
présentation des filières et identification des risques. Rapport d'étude intermédiaire, 27 juillet 2006
 
     

III-1-2 - La voie thermochimique

Les procédés thermochimiques permettent de transformer la biomasse solide et hétérogène, en combustibles gazeux ou liquides plus faciles à manipuler et à transformer.
Les produits obtenus (huiles de pyrolyse ou de liquéfaction, gaz de synthèse) sont soit utilisés directement pour la production de vapeur ou d’électricité, soit convertis en biocarburants liquides. Cependant, cette conversion connaît encore des difficultés techniques et économiques mais fait l’objet de développements prometteurs.

Trois procédés sont utilisés : la pyrolyse, la liquéfaction directe et la gazéification.

Pyrolise

La pyrolyse a pour but de convertir un combustible solide en trois phases valorisables. Ce sont les conditions de chauffage qui l’orientent vers une phase privilégiée. La pyrolyse rapide à partir de laquelle est obtenue la phase liquide, sera préférée (cela étant due à son bon rendement et à sa facilité de manipulation).
Le produit final, l’huile de pyrolyse ou bio-oil, possède différentes applications ; application directe, hydrotraitements catalytiques ou intermédiaires pour gazéification.
Dans le premier cas, les huiles peuvent être utilisées directement comme combustible de substitution dans les chaudières, les turbines à gaz et les moteurs diesel pour produire de la chaleur et de l’électricité. Cependant, cette application rencontre des difficultés à cause de certaines propriétés des huiles (viscosité, acidité, instabilité physico-chimique…). Les huiles utilisées dans les moteurs automobiles nécessitent des hydrotraitements catalytiques. Les conditions opératoires sont proches de celles employées pour le raffinage du pétrole cependant il existe encore des verrous technologiques et économiques et la qualité des bio-oils reste à améliorer. Enfin, l’option semblant la plus prometteuse est la gazéification de l’huile même s’il faut encore des efforts pour améliorer la qualité des huiles et une synergie avec les développeurs de procédés de gazéification.

Liquéfaction directe

La liquéfaction directe de biomasse présente plusieurs avantages ; la biomasse peut être utilisée humide, le produit final, biocrude présente une haute valeur énergétique, il est plus stable que le bio-oil et il est convertible en substitut du diesel. Ce procédé est en phase de développement aux Pays-Bas.

Gazéification

La gazéification est la transformation thermique d’un combustible solide en présence d’un réactif gazeux pour former un gaz de synthèse formé principalement de CO et H2. Le gaz obtenu peut-être appliqué de trois manières différentes : la combustion pour la co-génération de chaleur et d’électricité, dans des turbines à gaz en particulier, la conversion catalytique en carburants (méthanol, hydrocarbures tels que le syndiesel ou BTL par conversion de Fischer-Tropsch) et la production de dihydrogène. Une des difficultés de ce procédé est l’alimentation en biomasse solide mais ce problème se résout facilement grâce à un prétraitement par pyrolyse (dont le produit est une huile). Les autres inconvénients sont une génération et destruction de goudrons, la corrosion, le nettoyage des gaz obtenus et l’agglomération des lits fluidisés par des cendres fondues. Une fois le gaz obtenu il est converti en biocarburant ou utilisé pour produire de l’énergie.

                Schéma de la filière thermochimique      
  Figure 4 - Schéma de la filière thermochimique
Source : INERIS. Les biocarburants à partir de ressources lignocellulosiques :
présentation des filières et identification des risques. Rapport d'étude intermédiaire, 27 juillet 2006
 
     

III-2 - Environnement concurrentiel

Les biocarburants de 2ème génération sont considérés comme nouveaux entrants  menaçant le marché des biocarburants de 1ère génération. Cette approche nous semble la plus pertinente étant donné le degré de maturité du secteur des biocarburants de 2ème génération qui en est pour sa plus grande part au stade de la recherche & développement. Au sein d’un tel système, les produits de remplacement, c’est-à-dire susceptibles de menacer sérieusement le reste des acteurs, sont les autres énergies dites "vertes" : l’éolien, le solaire, l’énergie hydraulique et géothermique, etc.
Le marché des agrocarburants est caractérisé dans un premier temps et celui des biocarburants de 2ème génération étudié de manière approfondie dans un second temps.

                Biocarburants de 2ème génération :
   diagramme de Porter      
  Figure 5 - Diagramme de Porter  
     

III-2-1 - Fournisseurs et clients

Les fournisseurs des biocarburants de 2ème génération sont multiples et plus variés que ceux de 1ère génération. Les fournisseurs communs aux deux sont :

Les biocarburants de 2ème génération comptent en plus des précédents :

Les deux générations sont en concurrence : les clients des biocarburants de 1ère génération sont également ceux des biocarburants de 2ème génération. La seconde génération pourra donc totalement se substituer à la première, du point de vue des clients. Avec l’avancée des recherches actuelles, les principaux clients appartiennent au domaine du transport.

III-2-2 - Acteurs

III-2-2-1 - Grands groupes pétroliers - Constructeurs automobiles - Avionneurs

Shell produit depuis une trentaine d’années du carburant GtL (Gaz to Liquid) à partir de gaz. Il a en effet une usine en Malaisie qui produit du carburant Shell GtL, mais à partir de gaz naturel et non à partir de gaz issu de biomasse. C’est ce savoir-faire qu’il met à profit notamment avec Choren en Allemagne : ils en sont au stade de l'industrialisation de la production de biodiesel à partir de résidus de bois.
Le groupe investit dans les biocarburants de 2ème génération à travers des partenariats avec des firmes spécialisées (Virent Energy Systems aux USA par exemple) pour financer des programmes de recherches plus ambitieux : faire de l’essence (et non de l’éthanol) directement à partir de sucres végétaux ! Ceci pourrait augurer de la production de nouveaux biocarburants pouvant être utilisés à des pourcentages élevés dans des mélanges pour moteurs à essences classiques. Ceci permettrait d’éliminer le besoin d’infrastructures spécialisées, de conception de nouveaux moteurs et d’équipements pour les mélanges.

Les pétroliers s’associent également entre eux : un projet d’usine au Qatar se fait en partenariat avec Qatar Petroleum.

Parmi les constructeurs automobiles, l’américain General Motors, qui compte avoir la moitié de son parc automobile en version éthanol d’ici 2012, s’allie lui aussi avec des "entreprises niches" pour produire de l’éthanol à partir de déchets (végétaux, industriels,…).

Enfin, les avionneurs sont également intéressés : après Airbus avec Virgin Airlines, le trio Boeing, Continental Airlines et GE prévoit pour le premier semestre 2009 un vol d’essai aux biocarburants (fournisseur et type de biocarburant non spécifiés).

III-2-2-2 - Sociétés spécialisées

Ces entreprises sont diverses : spécialisées dans les biocarburants issus de la matière végétale (Choren), le management environnemental (collecte et traitement des déchets, maintenance,…) comme Lassila & Tikanoja, leurs prestations dépendent également de la structure concernée : R&D, consultant, mise en œuvre des installations,…
Certaines sont bien avancées dans le procédé d’industrialisation, notamment Choren avec Shell pour la production de carburant BtL (Biommass to Liquid). Ils développent à l’échelle industrielle la première usine de production de biocarburants BtL ("Beta plant" en Basse-Saxe, Allemagne) dont la construction a été terminée récemment. Début de mise en service mi-2008, avec une capacité de production envisagée de 18 million de litres par an. La technologie utilisée fait intervenir une double expertise : celle de Choren pour la première phase, c’est-à-dire l’obtention du gaz naturel puis l’étape Fischer-Tropsch en lien avec Shell pour obtenir le carburant. On assiste également à une participation financière depuis 2002 des constructeurs automobiles Daimler et Volkswagen. Cette implication prend maintenant une autre forme : coordination afin de préparer la commercialisation de ce carburant sur le marché automobile.

D’autres sociétés s’aventurent sur des procédés plus originaux, donc moins évolués pour l’instant comme la société BTG (Biomass Technology Group) dont une grosse part des services en est encore au stade de la R&D ou de la démonstration. Ces structures s’appuient souvent sur des capitaux provenant de grands groupes pétroliers.

III-2-2-3 - Universités, centres de recherche publics

Quelques groupes de recherche étudient des procédés tout à fait originaux comme la dégradation de la lignine par des espèces fongiques (afin de faciliter l’extraction des sucres de la cellulose) ou la production de cellulose, glucose et saccharose par des cyanobactéries ! Ces recherches s’insèrent quelquefois dans des programmes financés par des organisations (New Energy and Industrial Technology Development Organization au Japon par exemple), mais il n'y a pas ou peu de signes d’implication de la part des grands groupes.

De façon plus significative, il faut noter l’importante campagne d’aide financière du Department of Energy (DOE) des États-Unis : 285 M$ pour financer six projets de bioraffinerie. Aucune entreprise papetière ne fut retenue…

Le programme de recherche intégré NILE (New Improvements for Ligno-cellulosic Ethanol) dans le cadre de l’Union Européenne : 12,8 M€ investis sur quatre années. Son principal objectif est de développer la production de bioéthanol pour les transports à partir de biomasse ligno-cellulosique.

III-2-2-4 - Les papetiers

Au sein de ce groupe d’acteurs qui se tourne vers les biocarburants de 2ème génération, les papetiers et en particulier les fabricants de pâte, ont un rôle majeur à jouer. En effet, les industriels de ce secteur jouissent de nombreux avantages par rapport aux autres acteurs concernés : ils sont les seuls à maîtriser la chimie du bois à l’échelle industrielle, ils possèdent les infrastructures que sont les usines de pâte, ils gèrent leurs approvisionnements en matières premières et sont ancrés dans des réseaux de distribution bien établis. Il leur incombe à présent de saisir ces opportunités et de s’imposer sur ce marché émergent.
Les efforts engagés par le milieu papetier prennent deux formes : l’une suit la dynamique BtL (Biomass to Liquid) et l’autre se lance dans une recherche prometteuse pour mettre en place des bioraffineries.

Une filière qui s'éloigne de la papeterie à proprement parler

Cette première approche du monde papetier fait intervenir des procédés maîtrisés dans le fond quelques incertitudes demeurent tout de même quant à leurs applications à ces nouvelles matières premières "non-wood" , typiquement la filière BtL : on gazéifie la biomasse que l’on liquéfie par la suite. On en est donc au stade des applications industrielles, ces procédés ayant été éprouvés dans des usines pilotes. Ils font intervenir pour la plupart des structures conjointes entre papetiers et entreprises spécialisées dans ce type de technologie. Il est important de noter que ces projets, quoique faisant directement intervenir des capitaux papetiers, ne visent pas la complémentarité avec des usines de pâte : ce sont des développements différents, faisant intervenir des technologies propres et surtouts d’autres matières premières que celles de l’industrie des pâtes.

Notons par exemple les avancées du groupe finlandais UPM-Kymmene qui, en association avec des entreprises spécialisées dans ce type de technologie, affiche sa volonté d’investir dans les biocarburants de 2ème génération. Tout d’abord, en collaboration avec la société Chempolis avec laquelle ils mettent en place un projet d’usine pilote en Finlande et étudient la question d’une usine de biocarburants en Chine à partir de matières premières "non-wood" comme les roseaux.
Par ailleurs, avec la société Lassila & Tikanoja (L&T), ils travaillent sur un projet de production d’éthanol à partir de déchets commerciaux et industriels (papiers, cartons, bois, plastiques, boues de désencrage,…). UPM et L&T ont étudié le concept dans des conditions de laboratoire en collaboration avec le Technical Research Centre of Finland (VTT) et vont maintenant faire des essais dans une unité pilote du VTT, l’objectif étant de décider d’ici la fin de l’année de la viabilité d’un tel projet à l’échelle industrielle. Ce second projet s’inscrit dans la même logique : produire des biocarburants de 2ème génération ainsi que de l’énergie en se basant sur une matière première diversifiée et qui n’interfère pas avec les circuits d’approvisionnements en bois des papetiers.

De l'usine de pâte vers la bioraffinerie

Le terme "bioraffinerie" englobe la production classique de pâte à papier ainsi que la production, en parallèle, de biocarburants et de produits chimiques valorisables. Une voie privilégiée au sein de cette nouvelle structure intégrée est l’extraction des hémicelluloses en amont du procédé Kraft afin de produire de l’éthanol et d’autres bioproduits.

La pré-extraction : principe et procédé
Ce procédé consiste à extraire les hémicelluloses du bois avant que celui-ci ne soit envoyé dans le procédé de cuisson Kraft. Les extraits vont ensuite subir une série d’opérations : une hydrolyse afin d’obtenir des oligomères (sucres pentoses, hexoses), une séparation, une fermentation (transformation des sucres en éthanol) et enfin une distillation. Il est important de souligner que ce pré-traitement avant cuisson Kraft doit permettre d’extraire uniquement les hémicelluloses (la lignine étant inhibitrice de la fermentation et de toute manière traitée lors de la cuisson Kraft) et ce sans endommager la cellulose !

Remarques :

Le schéma ci-dessous illustre la pré-extraction des hémicelluloses avant cuisson Kraft :

                Usine Kraft modifiée pour la production de biocarburants      
  Figure 6 - Usine Kraft modifiée pour la production de biocarburants
Source : University of Maine
 
     

Cette voie présente de nombreux avantages pour le fabricant de pâte. Avant tout, elle permet en théorie de produire du biocarburant ainsi que des bioproduits sans affecter la qualité et la quantité de pâte produite. Cet élément constitue toutefois un des obstacles majeurs que la recherche doit franchir : extraire les hémicelluloses lors du pré-traitement sans altérer la cellulose (les efforts de recherche portent notamment sur la sélectivité des catalyseurs utilisés). Par ailleurs, cette boucle qui vient se placer en amont permet d’alléger la boucle de régénération du procédé Kraft car elle diminue le taux de matière sèche dans la liqueur noire. On diminue également la demande en liqueur blanche pour la cuisson. La boucle de régénération étant souvent l’élément limitant la production, ce procédé permettrait donc d’augmenter la capacité de production de l’usine.

Ce que l'on peut attendre de la bioraffinerie

Production : pour une production journalière de pâte de 1000 tonnes par jour, les estimations prévoient une production d’environ 40 tonnes par jour d’éthanol. A 0,70 US$ le litre, cela pourrait représenter environ 23 000 € par jour de recettes supplémentaires pour l’usine, et ceci sans considérer les autres produits obtenus…

Énergie : l’addition d’un système d’extraction des hémicelluloses diminue l’énergie obtenue récupérable par le procédé Kraft. En moyenne, la bioraffinerie produirait 35% de vapeur en moins par rapport à l’installation initiale car 10% en masse de bois a été extrait et que de l’énergie est nécessaire pour le fonctionnement de la boucle ajoutée en amont (et perte d’énergie lors de la détente de la liqueur extraite). La nouvelle situation permet toutefois d'obtenir un gain d’énergie au niveau de l’étape de caustification du procédé Kraft : 9 tonnes de pétrole pour une production de 1000 tonnes par jour.

En résumé, la balance énergétique pour une installation modifiée produisant 1000 tonnes par jour s’écrit comme suit :

Opération Installation Kraft "classique" Bioraffinerie Unités
Vapeur nécessaire pour l'extraction 0 84,6 MBTU/heure
Vapeur nécessaire pour la cuisson 469,2 440,1 MBTU/heure
Vapeur nécessaire pour le procédé éthanol 0 24,5 MBTU/heure
Gain de combustible pour caustification 0 15,3 MBTU/heure
Contenu énergétique net produit en vapeur 462,7 300 MBTU/heure
Contenu énergétique net produit en électricité 27,1 17,6 MW

Tableau 3 - Source : Department of Chemical Engineering, University of Maine

Retour sur investissement : toujours pour une usine produisant 1000 tonnes par jour, on estime à 25,7 M€ le coût d’une telle modification (en se plaçant dans le cas le plus défavorable i.e. : système de traitement des effluents de process insuffisant pour supporter le nouveau procédé et doit donc être redimensionné). En considérant les coûts de fonctionnement associés à la nouvelle installation, le taux de retour sur investissement est estimé à 3,4 %. Autrement dit, pour une telle installation, il faut attendre une dizaine d’années avant que le coût associé à la modification soit nul. On est loin des deux années souvent préconisées, mais il est important de considérer cette durée dans un contexte énergétique difficile et qui va en s’aggravant…

III-2-3 - Substituts : les énergies "vertes"

Les biocarburants peuvent être substitués par d’autres ressources d’énergies, qui sont également en plein essor et présentent des qualités toutes aussi intéressantes. Ce sont les énergies dites "vertes" telles que l’hydroélectricité, la géothermie, le solaire, l’éolien, l’énergie marémotrice, l’hydrogène…

Le graphe ci-dessous montre que les énergies vertes sont encore en développement. La majorité d'entre elles n’occupe pas une place importante dans l’apport énergétique français :

                Contribution des sources renouvelables au bilan énergétique français en 2003      
  Figure 7 - Contribution des sources renouvelables au bilan énergétique
français en 2003, en millions de tonnes équivalent pétrole
(1 tonne équivalent pétrole = 11 600 kWh) .
Source : Observatoire de l'Énergie, Ministère de l'Industrie
 
     

On remarque tout de suite la prépondérance du bois, des déchets du bois et de l’hydroélectricité.

                Énergie hydroélectrique      
  Figure 8 - Énergie
hydroélectrique
 

À titre de comparaison, en 2004, l’hydroélectricité a produit 40 fois plus de TWh dans le monde que l'éolien et pourtant elle est rarement citée comme source d’énergie renouvelable. Grâce à elle, il est possible de stocker l’eau d’un barrage pour fournir la quantité d’électricité voulue et il s’agit d’une électricité sans CO2, ce qui n'est pas le cas de 66% de l'électricité mondiale (40% vient du charbon, 20% du gaz, et 6% du pétrole). Cette énergie présente également des failles, à savoir le relief du pays car sans un relief adapté, il est difficile de construire des barrages et de produire de l’électricité. De plus, d'un point de vue environnemental, les lacs sont souvent artificiels, nécessitent plusieurs kilomètres carrés de béton et suppriment toute vie terrestre.

 

        Énergie éolienne  
  Figure 9 - Énergie
éolienne
 

L'éolien est à la dernière place parmi les sources d'énergie renouvelables en France aujourd'hui, avec 0,1% de l'ensemble de ces énergies. Il fournit donc dans notre pays une part très proche de ce qu'elle est pour le monde dans son ensemble (0,13%) et tout aussi négligeable pour le moment. Ceci s’explique en partie par de sérieux inconvénients. En effet, la production d’énergie des éoliennes dépend du vent et de sa puissance : une autre forme de production d'électricité doit donc être utilisée les jours sans vent. En outre, leur installation pose problème auprès des riverains : bien que tout le monde soit d’accord sur le principe de l'éolien, personne ne souhaite qu’une gigantesque hélice lui gâche la vue. Autre désavantage : les chiffres montrent que les pays qui ont investi massivement dans cette énergie, comme le Danemark, n'ont pas beaucoup changé la structure de leur approvisionnement énergétique, ni leurs émissions de gaz à effet de serre…
Cependant, de grands groupes pétroliers tel que BP et Shell prennent position dans l’éolien. En 2006, BP avait très peu de mégawatts de capacité installée, il prévoit autour de 1000 MW cette année et 4000 MW en 2010. Shell est plus timide : en 2006 et 2007, Shell avait autour de 350-400 MW de capacité installée et il prévoit pour 2008-2009 un peu plus de 500 MW. De plus, les entreprises françaises pionnières dans le secteur de l’éolien commencent à s’exporter, preuve s'il en est que l’éolien intéresse…

                Énergie solaire      
  Figure 9 -
Énergie solaire
 

L'énergie solaire reçue par la terre vaut environ 10 000 fois la quantité totale d'énergie consommée par l'ensemble de l'humanité. En d'autres termes, capter 0,01% de cette énergie nous permettrait de nous passer de pétrole, de gaz, de charbon et d'uranium. Ceci explique la volonté de l’homme d’utiliser et de capturer cette énergie. Cependant, en 2002 le solaire a représenté 0,01% de l'énergie consommée en France (et 0,04% dans le monde). C'est le stockage qui constitue encore le point faible de cette voie énergétique. Les technologies pour stocker l’énergie sont encore limitées, les panneaux photovoltaïques sont une solution mais à petite échelle. De plus, l’inconvénient majeur de ces panneaux est leur fin de vie, car les constituants de leurs cellules photovoltaïques sont polluants comme le sulfure de cadmium.
Le groupe pétrolier français Total a prévu de développer entre 2005 et 2012 des énergies peu émettrices de CO2 : plus de 20% d'énergie solaire, environ 15% d'éolien et, en troisième position, 10% de biocarburants.

III-3 - Matrice SWOT

Le diagnostic de l’environnement externe et interne permet d’établir la matrice SWOT suivante :

Forces Faiblesses
  • Les biocarburants de 2ème génération s’inscrivent dans le développement
    durable et la diminution des gaz à effet de serre.
  • Pas de concurrence avec l’alimentation : pas d’effet sur les prix agricoles
    donc sur l' alimentation des populations et par conséquent, sur stabilité
    politique de certaines régions.
  • Matière première diversifiée et non valorisée par ailleurs
    + pleine exploitation des ressources.
  • Papetiers : infrastructure + réseaux préexistants ; savoir-faire.
  • Papetiers : diversification de leur production.
  • Verrous technologiques et économiques à surmonter pour une production massive.
  • Exigence d'une bonne collaboration entre les acteurs : fournisseurs,
    transformateurs, distributeurs, politiques
Opportunités Menaces
  • Bilan négatif des biocarburants de 1ère génération.
  • Dévalorisation des sous-produits des biocarburants de 1ère génération
    (utilisés notamment pour l’alimentation animale des élevages hors sol).
  • Difficultés rencontrées par fabricants de pâte européens et scandinaves
    (hausse des matières premières, taxe à l’exportation sur le bois russe,…) :
    baisse de compétitivité sur les marchés de la pâte marchande (surtout vis-à-vis
    des producteurs sud-américains).
  • Biocarburants issus des micro-algues.
  • Énergies vertes.
  • Matières premières : suffisantes ? si non, nécessité de terres
    spécialement dédiées aux biocarburants de 2ème génération
    -> on retrouve les problèmes liés aux biocarburants de 1ère génération
    (surface arable, déforestation, érosion des sols,…).
    Pour les papetiers : concurrence avec leur matière première -> hausse des prix.
  • Absence de données concernant le bilan carbone + consommations intermédiaires.

Tableau 4 - Matrice SWOT analysant le marché des biocarburants de 2ème génération

III-4. Scénarios

III-4-1 - Scénario 1 - Scénario favorable au développement des biocarburants de 2ème génération

Les biocarburants de 2ème génération vont connaître un cycle de développement semblable à celui du Web pendant la bulle Internet. Ils vont profiter de la nécessité de trouver d’autres ressources énergétiques s’inscrivant dans une volonté de développement durable et de respect éthique.  Le boom initial sera suivi d’un repli dès qu’apparaîtront les problèmes pratiques liés aux verrous techniques et économiques. Ensuite, le marché décollera. À terme, une fois l’effervescence retombée, seuls les plus solides survivront et se développeront.

Dans ce scénario, deux perspectives sont envisageables.

III-4-2 - Scénario 2 - Scénario défavorable au développement des biocarburants de 2ème génération

Les technologies d’obtention des biocarburants n’ont pas été éprouvées commercialement et leurs effets environnementaux et sociaux demeurent incertains, selon le rapport des différentes agences de l'ONU et de la Banque Mondiale. De plus, ces nouvelles raffineries ont un coût exorbitant : "Choren, qui vient d’inaugurer une installation de production biocarburants de 2ème génération, veut en construire une autre d'une capacité de 200 000 tonnes, avec un coût estimé de 1 milliard d'euros, contre 40 millions d'euros pour un site comparable au colza", assure à l'AFP Frank Brünhing, de la Fédération allemande des biocarburants. En outre, ces nouveaux produits sont encore loin d'être viables économiquement, avec un coût de production estimé à 1 euro par litre pour le diesel "au bois".
Toutes ces inquiétudes pourraient inciter les industriels à laisser de côté la recherche sur les biocarburants et à privilégier d’autres énergies telles que le solaire, l’éolien ou encore l’hydrogène. Certaines entreprises, comme le groupe pétrolier Total, misent sur l’énergie solaire principalement au détriment des biocarburants. D’autre restent en retrait : ainsi, l’américain ExxonMobil assure avoir pris en compte la problématique environnementale mais il n’est pas question pour lui de faire autre chose que du pétrole ou du gaz. Ces attitudes peuvent freiner la recherche et le développement des biocarburants. Le manque de financement et de techniques pourrait laisser la connaissance des biocarburants à l’état embryonnaire.
L’autre inquiétude vient des papetiers. Ils peuvent voir les biocarburants de 2ème génération, qui utilisent également le bois comme matière première, comme une concurrence vis-à-vis de leur secteur. La valeur du bois augmenterait sur le marché entraînant une augmentation de la valeur de la pâte et du papier.

IV - Conclusion
Plan 

Il apparaît évident, au vu des limites explicitées en première partie, que les agrocarburants seront amenés à être remplacés d’ici une décennie. En témoignent les paroles du président américain en 2007 : « Nous devons continuer à investir dans des nouveaux procédés de fabrication d’éthanol, en utilisant tout, des copeaux de bois à l’herbe en passant par les déchets de l’agriculture ». L’éthanol cellulosique est donc mis en avant. Mais, outre les obstacles technico-économiques à franchir, il subsiste des éléments-clés qui détermineront l’évolution du secteur papetier au sein d’un marché déjà fortement concurrentiel.

Il est indéniable que l’industrie papetière jouit d’avantages en comparaison des autres acteurs du secteur des biocarburants de 2ème génération. Outre le savoir technologique et les structures déjà engagées dans l’exploitation de la biomasse, les papetiers possèdent une culture de valorisation des co-produits de la pâte : vaniline, essence de térébenthine…Ils peuvent donc construire une stratégie durable au sein de ce contexte énergétique difficile. Cependant, pour être pionnière dans ce marché émergent, l’industrie papetière doit penser produit avant de penser process. Il faut d’abord qu’elle s’assure de pouvoir vendre ce qu’elle produit. Et pour ce faire, il faut savoir prendre des risques, innover dans une industrie souvent sclérosée par ses habitudes. Elle arrivera ainsi à acquérir une certaine flexibilité qui allégera les effets des soubresauts du marché et permettra d’atteindre les objectifs fixés.

Pour finir, il est important de miser sur la diversité. Les biocarburants, quels qu’ils soient, ne pourront jamais satisfaire à eux seuls les besoins énergétiques croissants. Il reste donc à profiter de la complémentarité de cette technologie avec d’autres énergies renouvelables comme l’hydroélectricité et l’éolien.

V - Bibliographie

Plan 

    Énergie : sans changement drastique, la France court à la catastrophe.   Les Échos, 7 avril 2008, p19.
DE MEYER Karl   Biocarburants : Berlin renonce à renforcer la filière éthanol.   Les Échos, 7 avril 2008, p19.
DENIS Anne   L’essor des biocarburants suscitent une inquiétude croissante.   Les Échos, 7 avril 2008, p 7.
POGAM Pascal   Total sur la piste des énergies du futur.   Les Échos, jeudi 24 avril 2008, p 9.
POGAM Pascal   Un virage déjà amorcé par Shell et BP.   Les Échos, jeudi 24 avril 2008, p 9.
MOUREAU Romain   Biocarburants : Que peut-on attendre de la recherche ?   Environnement & Technique. Décembre 2007, n°272, pp 48-53.
ROUBERT Éric   La croissance de la demande de biocarburants alimente la hausse des prix agricoles.   Innovation, sept-oct 2007, n°7.
RODDEN Graeme   Actions catching up to words.   Pulp and Paper, May 2008, pp 30-33.
THORP B.A., THORP IV A., MURDOCK-THORP L.D.   A compelling case for integrated biorefineries (Part I).   Paper 360°, mars 2008, vol.3, n°3, p.14-15
THORP B.A., THORP IV A., MURDOCK-THORP L.D.   A compelling case for integrated biorefineries (Part II).   Paper 360°, avril 2008, vol.3, n°4, p.20-22
THORP B.A., THORP IV A., MURDOCK-THORP L.D.   A compelling case for integrated biorefineries (Part III).   Paper 360°, mai 2008, vol.3, n°5, p.12-14
MAO H., GENCO J.M., VAN HEININGEN A., PENDSE H.   Near-neutral pre-extraction before hardwood Kraft pulping; a biorefinery producing pulp, ethanol and acetic acid. department of chemical engineering.   Orono, Maine USA, University of Maine, 2008.
    Les biocarburants menacent l'alimentation mondiale.   Libération, 4 décembre 2007

VI - Webographie

Plan 

JANCOVICI Jean-Claude   Que pouvons-nous espérer des biocarburants ?   http://www.manicore.com/documentation/carb_agri.html
    L'Allemagne s'enthousiasme pour le diesel de bois, de paille ou de résidus de lait.   AFP, 17 avril 2008. Disponible sur :
http://afp.google.com/article/ALeqM5jPvIj2Lx9yhPwMKiKz5mQQX5vpyA
CRIVILLÉ Coralie   Philippe Girard (CIRAD) : « Les biocarburants de deuxième génération : un potentiel de production considérable ».   Terre-net, 02 novembre 2005. Disponible sur :
http://www.terre-net.fr/outils/fiches/fichedetail.asp?id=25220
    Les biocarburants de première génération.   Total. Disponible sur :
http://www.total.com/fr/responsabilite-societale-environnementale/dossiers/biocarburants/mieux-comprendre-biocarburants/premiere_generation_10801.htm
URGELLI Benoît   La biomasse, source d'énergie.   Environnement et Développement. Disponible sur :
http://acces.inrp.fr/eedd/climat/dossiers/energie_demain/biomasse/biomassebiocarburant/
RICARD Philippe   Les États européens divisés au sujet des agrocarburants.   Le Monde, 9 mai 2008. Disponible sur :
http://www.lemonde.fr/sciences-et-environnement/article/2008/05/08/les-etats-europeens-divises-au-sujet-des-agrocarburants_1042455_3244.html#ens_id=628865
    New Improvements for Ligno-cellulosic Ethanol (NILE).   Disponible sur :
http://www.nile-bioethanol.org
    Daimler and VW invest in CHOREN biofuel producer - Broad market introduction of second generation synthetic biofuel BTL is planned.   CHOREN Industries. Disponible sur :
http://www.choren.com/en/choren_industries/information_press/press_releases/?nid=172
    Chempolis   Disponible sur :
http://www.chempolis.com
    UPM-Kymmene   Disponible sur :
http://w3.upm-kymmene.com/upm/internet/cms/upmcmsfr.nsf?Open&qm=menu,0,0,0
    Lassila & Tikanoja   Disponible sur :
http://www.lassila-tikanoja.com/en/Pages/Default.aspx
SORENSON D.R.J., PATTERSON D.   Investors focus on opportunities in cellulosic ethanol production.   Pulp & Paper, May 2008. Disponible sur :
http://findarticles.com/p/articles/mi_qa3636/is_200705/ai_n19431588/pg_3>
GRAMMONT V.   Les biocarburants à partir de ressources lignocellulosiques :présentation des filières et identifications des risques.   Rapport d’étude intermédiaire. Laboratoire d’évaluation des matières dangereuses (INERIS), 2006, 21p.
Disponible sur :
http//www.ineris.fr/index.php?module=doc&action=getFile&id=2812
     
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