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Vous êtes ici : Accueil > Technique > Mémoires > Les bioraffineries : opportunités papetières ? Révision : 11 avril 2008  
Les bioraffineries : opportunités papetières ?
             Clémentine BOEHRER et Caroline LOCRE

Élèves ingénieurs 2e Année
 Mai 2007
Mise en ligne - Avril 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 - La bioraffinerie et l'industrie des pâtes à papier
III - L'état du marché
IV - Perspectives d'évolution
V - Conclusion
VI - Bibliographie
  VII - Webographie  
     
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I - Introduction
Plan 

L’objectif de la veille est d’anticiper l’évolution d’une technologie et son impact, ici le développement des bioraffineries : comment l’industrie papetière pourrait-elle tirer profit de la production de biocarburants ?
L’analyse porte principalement sur l’interaction entre l’industrie papetière et l’industrie des biocarburants. Y sont ajoutés, si nécessaire, les compléments concernant d’autres domaines liés à ces industries. Il faut qualifier ce lien entre les deux industries et déterminer son importance pour fonder une étude stratégique.

L’idée de produire des biocarburants, et plus particulièrement de l’éthanol, à partir de la biomasse remonte aux années 80 et s’est réellement développée à partir des années 90. Les biocarburants produits sont de première génération, c'est-à-dire fabriqués principalement à partir de maïs, de betterave et de canne à sucre. Les biocarburants de seconde génération sont quant à eux fabriqués à partir du bois, mais les procédés sont encore au stade expérimental et ne seront pas rentables avant plusieurs années.

La bioraffinerie dans une perspective papetière consiste à valoriser les sous-produits qui ne sont pas utilisés dans la pâte à papier : par exemple, extraire les hémicelluloses avant la fabrication de la pâte kraft pour ensuite les transformer en éthanol, ou encore gazéifier la liqueur noire pour produire du méthanol/DME (diméthyl éther), qui sont également des biocarburants.
Dans un premier temps, l’état actuel des technologies de bio-raffinage utilisées par l’industrie papetière est présenté afin d’acquérir le maximum d’informations pour entre autres, juger au mieux de la faisabilité à plus ou moins court terme des projets de développement et de recherche. Puis, le marché des biocarburants fait l'objet d'une étude, point de départ de la troisième partie développant l’analyse prospective de cette technologie.

II - La bioraffinerie et l'industrie des pâtes à papier
Plan 

II-1 - Modèle d'usine de pâte - bioraffinerie

Transformer une usine de pâte kraft en bioraffinerie aurait pour but d’exploiter toute la biomasse entrante dans l’usine [Figure 1], et non plus seulement la partie servant à faire la pâte, comme le montre le schéma suivant.

                Exploitation de la biomasse      
  Figure 1 - Exploitation de la biomasse.
Source : AXEGARD P. 1st International Biorefinery Workshop
 
     

Ainsi voit-on qu’il est tout à fait possible d’extraire de la biomasse bon nombre de composés sans pour autant compromettre la fabrication de la pâte : l’écorce, les hémicelluloses et la lignine sont sources de produits chimiques et de carburants et ne sont pas inclus dans la pâte.
Certaines techniques d’extraction ont déjà été mises en place, notamment pour la récupération des produits chimiques. D’autres techniques, comme l’extraction de biocarburants à partir de la liqueur noire, en sont encore au stade expérimental.

II-2 - Extraction des composés chimiques

Les produits les plus intéressants à récupérer sont l’essence de térébenthine [Figure 2] qui provient des terpènes contenus dans le bois et le tall oil, c’est-à-dire les acides résiniques, acides gras et alcools gras du bois [Figure 3]. L’essence de térébenthine est utilisée dans les colles ou encore comme solvant, tandis que les acides résiniques sont employés dans les colles à bois ou comme additifs dans les peintures et vernis. Les acides gras quant à eux sont inclus dans la fabrication des savons et détergents.
Ces produits proviennent de la “chimie verte” et sont de plus en plus prisés, contrairement aux produits issus de l’industrie pétrolière. Il est donc particulièrement intéressant pour les usines de pâte de les récupérer puis de les revendre.

                Extraction de l'essence de térébenthine      
  Figure 2 - Extraction de l'essence de térébenthine
Source : EFPG
 
     
                Extraction des tall oil      
  Figure 3 - Extraction des tall oil
Source : AXEGARD P. 1st International Biorefinery Workshop
 
     

Les techniques d’extraction ne requièrent que des modifications mineures dans une usine de pâte et sont par conséquent faciles à mettre en œuvre. En effet, il n’existe pas de facteur technique limitant leur développement, seule la politique d’investissement de l’usine détermine l’installation de tels dispositifs. Considérant la possibilité de récupérer 3 à 4 litres de térébenthine et 15 à 50 kg d’acides résiniques par tonne de pâte produite, la production de 1500 tonnes de pâte chaque jour ainsi que les prix des produits  ̶  0.396 $/L pour l’essence de térébenthine et 100 $/t pour le tall oil  ̶  , il est évident qu’une usine a beaucoup à gagner en extrayant ces composés si elle choisit de faire de tels investissements.

II-3 - Le procédé BLGMF

La société Chemrec est spécialisée dans le traitement de la liqueur noire. Son site Web fournit des informations techniques sur le procédé BLGMF (black liquor gasification with methanol/DME production as motor fuel for automotive uses) [Figure 4]. Ce procédé est actuellement testé à l’usine Chemrec DP-1 située à Piteå (Suède) depuis 2005.

                Procédé BLGMF (black liquor gasification automotive fuels)      
  Figure 4 - Procédé BLGMF (black liquor gasification automotive fuels)
Source :
Chemrec
 
     

À l'instar des techniques d’extraction des composés chimiques, le procédé BLGMF n'exige aucune modification importante sur le système de traitement de la liqueur noire : il est nécessaire d’installer un gazéifieur afin de pouvoir extraire les gaz destinés à être transformés, et tout le reste du traitement est réalisé sur un système installé à part. Les gaz sont épurés, puis le méthanol synthétisé à partir de ces gaz. D’après Chemrec, l’efficacité de production est de 65 à 75%. Elle est définie de la façon suivante :

                     

III - L'état du marché
Plan 

Aujourd’hui, les pays leaders dans le domaine de la production de bioéthanols sont le Brésil et les États-Unis avec respectivement 15 978 et 16 118 millions de litres fabriqués en 2005. Ces deux pays fournissent près de 70% de la production mondiale soit 45 927 millions de litres en 2005. La France, quant à elle, est le 5ème pays producteur de bioéthanol avec une part de marché d’environ 2% en 2005.

III-1. Acteurs en amont et en aval de la technologie

Le marché des biocarburants se caractérise avant tout par les acteurs situés en amont et en aval de la bioraffinerie. La production de biocarburants dépend des ressources disponibles en énergie (électricité et vapeur) et en matières premières fournies par l'agriculture et la sylviculture. Les autres acteurs situés en amont  ̶  fournisseurs de produits chimiques et de matériels industriels  ̶  n’interviennent que ponctuellement et ne sont pas à l’heure actuelle des freins potentiels au développement de cette technologie.

Actuellement, les biocarburants de première génération peuvent être fabriqués à partir de tant de ressources végétales différentes que chaque pays producteur a su trouver une matière première suffisamment abondante sur son sol pour développer cette production sans se limiter : canne à sucre et soja pour le Brésil, maïs, soja et colza pour les États-Unis, betterave à sucre et colza pour la France, colza pour l’Allemagne, canne à sucre pour l’Inde, palmier à huile pour la Malaisie et l’Indonésie.
Bien que les ressources ne soient pas limitées aujourd’hui, la vigilance s'impose. En effet, la demande de biocarburants est en hausse constante et ces végétaux ont un cycle de vie trop long pour la satisfaire dans quelques années. De plus, il faut mettre en place une politique internationale afin d'éviter la pénurie de végétaux qui serait préjudiciable au marché des biocarburants. Sumatra et Bornéo par exemple sont aujourd'hui affectées par une déforestation majeure liée à la culture massive des palmiers à huile : une situation très préoccupante pour les conditions de vie des habitants de ces régions comme pour l’équilibre écologique, qui alerte sur l’instabilité à long terme de l’accès à ces végétaux pour la production de biocarburants de première génération.

Il ne faut cependant pas penser que l’état actuel des mmillions de tonnes de bois sec par an et que cette production additionnée à la biomasse issue de l’agriculture disponible donnerait plus d'un milliard de tonnes de biomasse destinée à la conversion en éthanol. Selon cette estimation, les États-Unis pourraient satisfaire un tiers en 2004 de leurs besoins en carburants à partir de cette technologie voire la totalité d’ici 2050.
Ainsi, l’étude des marchés agricoles et sylvicoles nous permet-elle d’estimer que tous les acteurs en amont de cette technologie ne devraient pas vraiment limiter son développement.

En aval de la production de biocarburants, il y a les consommateurs. Les demandes en carburants sont telles que l’on estime l’offre toujours inférieure à la demande. La partie aval influe donc peu sur le développement si ce n’est par le fait que les biocarburants produits doivent répondre à un cahier des charges imposé par les moyens de consommation de carburants. Ainsi le pouvoir des clients est-il très faible d’autant plus que les produits de remplacement sont limités, l’énergie étant aujourd’hui une ressource rare.

III-2 - Environnement concurrentiel

Le diagramme de Porter met en lumière les paramètres qui commandent la concurrence sur le marché des biocarburants de deuxième génération. Il nous permet de mettre en regard la veille technologique et la veille environnementale et de synthétiser l’environnement concurrentiel.

                Diagramme de Porter sur le marché des biocarburants      
  Figure 5 - Diagramme de Porter sur le marché des biocarburants  
     

Le fait que les bioraffineries puissent être une opportunité papetière, intervient bien dans ce diagramme. En effet, le procédé BLMF (cf. 1.3) est un entrant potentiel sur le marché de la production de biocarburants de deuxième génération. Cette représentation met également en avant l’existence de substituts de biocarburants de deuxième génération. Il est donc impératif de s’informer précisément sur l’état actuel de développement de ces substituts. On ne s’intéressera pas au pétrole puisque c’est la source d’énergie que substituent les biocarburants. Les autres sources d’énergie sont le GPL (gaz de pétrole liquéfié), l’hydrogène, le solaire, l’éolien et l’électricité. Le GPL et l’électricité sont aujourd’hui les substituts les plus utilisés car la technologie de transformation de ces énergies est bien dominée. En ce qui concerne les énergies éolienne et solaire, leur utilisation se développe mais assez lentement en tant que carburant. Il en va de même pour l’hydrogène dont l’utilisation et la production sont technologiquement difficiles.

IV - Perspectives d'évolution
Plan

IV-1 - Le projet RENEW

Engagé en 2004, le projet RENEW, renewable fuels for advanced powertrains, est un projet européen d'une durée de 4 ans, ayant pour but le développement des carburants BTL, biomass to liquid, et intégrant entre autres l’étude de la production de méthanol/DME à partir de liqueur noire dans l’usine de pâte de Mörrum (Suède). Cette partie du projet est menée par la société Chemrec.
Ses objectifs sont les suivants :

IV-2. Matrice SWOT et stratégie des principaux acteurs

IV-2-1 - Matrice SWOT

Forces Faiblesses
  • Infrastructures préexistantes
  • Production de produits chimiques possible => diversification de la production
  • Baisse du prix de la pâte => intérêt de la possibilité de se diversifier
  • Mariage de l’industrie papetière avec la bio-industrie
  • Vulnérabilité vis-à-vis des taxes d’émission de CO2
  • Manque de personnel qualifié
  • Vétusté des usines => compatibilité avec les technologies de bioraffinerie ?
Opportunités Menaces
  • Demande de biocarburants du fait des pressions écologiques
  • Demande de biocarburants non satisfaite par l’offre
  • Développement réussi de la R&D
  • Production de produits à haute valeur ajoutée
  • Nombreuses entreprises en concurrence
  • Accroissement de la réglementation sur les émissions de CO2
  • Développement d'autres carburants en parallèle

IV-2-2 - Stratégie des principaux acteurs, développée à partir de la matrice SWOT

Les papetiers devraient continuer à développer leurs technologies de production de biocarburants et de produits chimiques à partir des résidus de la cuisson chimique de pâtes à papier, afin de pouvoir les intégrer directement à leurs usines de pâtes. Cela leur permettrait de valoriser des produits de la cuisson kraft jusqu'à présent inutiles voire coûteux puisque les usines doivent payer pour les évacuer. Ainsi, les producteurs de pâtes à papier obtiendraient-ils une nouvelle source de profits, ce qui leur permettrait de parer à la baisse des prix de la pâte.

                Prix de la pâte à papier de 1975 à 2003 (kraft de résineux)      
  Figure 6 - Prix de la pâte à papier de 1975 à 2003 (kraft de résineux)
Source : AXEGARD P. 1st International Biorefinery Workshop
 
     

IV-3. Scénarios et analyse des risques

IV-3-1 - Scénario 1 - Disparition des ressources pétrolières

Pour les besoins de l'étude de veille, nous formulons l'hypothèse de l'épuisement des réserves terrestres de pétrole d'ici 50 ans. À cette échéance, la consommation et la demande toujours grandissantes de produits pétroliers seront venues à bout de nos ressources. L’utilisation d’autres sources d’énergie permettront de nous transporter. Les biocarburants se partageront le marché des carburants avec l'électricité, l’hydrogène, le GPL (gaz de pétrole liquéfié) et l'énergie solaire.

Les recherches débutées dans les années 90 concernant les véhicules électriques permettent de considérer l’électricité comme un acteur considérable du marché des carburants. En effet, grâce à l'amélioration constante de l’autonomie, du temps de recharge et du poids des batteries, les voitures électriques n’ont cessé de se développer. Cependant, le prix de l’électricité, tout aussi attractif que celui des biocarburants, explique que l’utilisation de l’électricité comme carburant soit sur le déclin.

L’hydrogène, développé dès 2000, représentera une part de marché pouvant concurrencer de plus en plus la part de marché des biocarburants. À la différence de l’électricité, le procédé d’extraction et de pyrolyse de la roche in situ, puis de pompage des hydrocarbures ainsi libérés (hydrogène), a fait l’objet de recherches financées par les grandes société pétrolières, ce qui a permis de développer plus rapidement le procédé de production de ce carburant et d’assurer un développement en partenariat avec des constructeurs automobiles.

Il faut également souligner que lors de ces 50 années, l’éventualité d’utiliser un pétrole de synthèse a été étudiée : une voie non fructueuse puisqu’il s’est avéré que la liquéfaction du charbon par combustion anaérobie sous atmosphère d’hydrogène est totalement incompatible avec les pressions environnementales. En effet, la combustion des hydrocarbures obtenus est une source de gaz à effet de serre et les procédés d’extraction minière du charbon polluent énormément les eaux.

Enfin, l’énergie solaire, déjà utilisée, est toujours en cours de développement. En effet, depuis les années 2000, ce type de véhicules fonctionne bien mais les problèmes liés à l’ensoleillement ne permettent pas de développer cette technologie dans beaucoup de pays. C'est pourquoi l’énergie solaire en tant que carburant ne représente pas grand-chose. Il faut noter que les recherches faites depuis une cinquantaine d’années concernant les voitures hydrides (énergies solaire et éolienne) dont le développement est limité pour les mêmes raisons que celles énoncées précédemment.

Probabilité que ce scénario se réalise : 80%.
Les évolutions des autres types de carburants ont une forte probabilité puisqu’elles se basent sur des estimations croisées d’experts. La probabilité fixée n’est que de 80% car il existe toujours une grande incertitude et les estimations ont été faites par des organismes différents.

IV-3-2 - Scénario 2 - Catastrophe économique pour les papetiers

La production de biocarburants à partir de biomasse pose certains problèmes. En effet, cette même biomasse est utilisée dans d’autres domaines. Par exemple, la canne à sucre peut être employée à la fois pour produire du bioéthanol et bien sûr pour fabriquer du sucre. Conséquence, le prix du sucre a doublé au cours des 18 derniers mois.
Il n’est donc pas irréaliste de penser que la même chose puisse se produire pour le bois dans les prochaines années. Une augmentation radicale du prix du bois aurait bien sûr des conséquences énormes sur l’industrie papetière. Les fabricants de pâte seraient les premiers touchés : pour maintenir leurs profits, ils devraient absolument produire des biocarburants. La pâte deviendrait un produit secondaire de l’usine et, en tant que tel, son prix augmenterait drastiquement. Ceci bien sûr se répercuterait sur le prix du papier : achetant leur pâte plus cher, les papetiers vendraient leur production à un prix plus élevé afin de eux aussi leurs profits.

Probabilité que ce scénario se réalise : 50%.
Ce scénario catastrophe pour l’industrie papetière est probable car il s’est déjà produit pour l’industrie sucrière. Cependant nous estimons que les ressources en bois seront peut-être suffisantes pour que les deux industries persistent.

V - Conclusion
Plan 

À la question, "bioraffineries, une opportunité papetière ?", cette étude de veille apporte un début de réponse.

L’état de l’art établit des éléments encourageant la diversification des usines papetières dans la valorisation des sous-produits de cuisson en produits énergétiques et chimiques. En effet, cette technologie de conversion demande simplement un investissement financier puisque le procédé n’est pas limité par des paramètres technologiques.

L’étude du marché des biocarburants de deuxième génération montre l’opportunité certaine qu’aurait l’industrie papetière à développer le procédé BLGMF. En effet, le marché des biocarburants est encore suffisamment jeune pour que les produits de ce procédé occupent une part de marché et les substituts sont encore limités par leur technologie de production et/ ou d’utilisation.

L’analyse prospective laisse également penser que les biocarburants de deuxième génération occuperont une place de plus en plus importante dans la consommation de carburants. Une évolution bien sûr liée à une pénurie en ressources pétrolières et à une nécessité écologique. Tout laisse penser que ces deux facteurs risquent de s'accroître avec le temps mais les autres substituts pourraient concurrencer les biocarburants.

Ainsi, la conversion selon le procédé BLGMF est à encourager mais en gardant à l’esprit qu’elle pourrait être bénéfique seulement pour une période transitoire entre la consommation de produits pétroliers et l’utilisation desdites énergies nouvelles.

VI - Bibliographie

Plan 

QUIRET Mathieu   Le nouvel âge des bioraffineries.   Les Échos, 03 octobre 2006, p.18
BELLIN Isabelle   Un bilan environnemental mitigé pour les biocarburants.   Les Échos, 04 octobre 2006, p.27
QUIRET Mathieu   Les essais aux champs de l’énergiculture.   Les Échos, 04 octobre 2006, p.14
MAILHES Laetitia   Les États-Unis misent sur le pétrole vert.   Les Échos, 14 décembre 2006, p.9
POGAM Pascal   Total envisage de construire une unité de biodiesel à Dunkerque.   Les Échos, 24 janvier 2007, p.21
PASZNER Lazlo   Bioethanol.   Pulp & Paper Canada, avril 2006, vol.107, n°4, p.26-29
STUART Paul   The forest biorefinery : survival strategy for Canada’s pulp and paper sector ?   Pulp & Paper Canada, juin 2006, vol.107, n°6, p.13-16
WISING U., STUART P.   Identifying the Canadian forest biorefinery.   Pulp & Paper Canada, juin 2006, vol.107, n°6, p.25-29
    Project looks at ethanol from paper pulp.   Pulp & Paper Canada, juin 2006, vol.107, n°6, p.10
LINDBLOM M.   An overview of Chemrec process concepts.   Presentation at the colloquium on black liquor combustion and gasification, May 13th-16th, 2003, Park City, Utah
AXEGARD Peter   The future pulp mill – a biorefinery ?   Presentation at the 1st International Biorefinery Workshop, July, 20 and 21, 2005, Washington DC

VII - Webographie

Plan 

    Le Danemark et le carburant vert.   Agence de Diffusion de l’Information Technique (ADIT), 01/06/2006, BE Danemark n°12.
http://www.sfc.fr/Adit/2006/adit_environnement.htm (consulté le 26/02/2007)
BICHLER Valérie   Journée sur la bioraffinerie   Info veille biotech- agenda, 07/12/2005.
http://www.info-veille-biotech.com/index.php?annee=2006&mois=2&recherche=ok&rubrique=agenda (consulté le 26/02/2007)
JORET Camille   Accord en Espagne pour produire plus d’un million de tonnes de biodiésel.   Info veille biotech, 16/04/2006.
http://www.info-veille-biotech.com/index.php?rubrique=business&mois=4&annee=2006&recherche=ok&module=info (consulté le 26/02/2007)
DAOUDI Mathieu   De petites bioraffineries multi-tâches.   Info veille biotech, 20/09/2006.
http://www.info-veille-biotech.com/index.php?rubrique=recherche&mois=9&annee=2006&recherche=ok&module=info (consulté le 16/02/2007)
BARAILLER Fabien   Production d'éthanol à base de résidus de cellulose : la société de biotechnologie canadienne Iogen leader.   Info veille biotech, 16/06/2004.
http://www.info-veille-biotech.com/index.php?rubrique=etonnant&mois=6&annee=2004&recherche=ok&module=info (consulté le 26/02/2007)
    Projet NILE sur les obstacles scientifiques à la production économique de bioéthanol.   Cordis Nouvelles, 07/11/2005.
http://cordis.europa.eu/fetch?CALLER=FR_NEWS&ACTION=D&DOC=2&CAT=NEWS&QUERY=1172478818898&RCN=24719
SADDLER J., MABEE W.   Back to the future: substituting wood for oil with the “forest biorefinery”.   University of British Colombia- UBC reports, 07/01/04.
http://www.publicaffairs.ubc.ca/ubcreports/2007/07jan04/07jan04.pdf (consulté le 26/02/07)
SADDLER J., MABEE W.   Forest-based biorefining at UBC.   University of British Colombia- UBC reports, mars 2006.
http://www.forestry.ubc.ca/Portals/0/docs/Branchlines_Mar06.pdf (consulté le 26/02/07)
ZWART R.W.R.   Biorefinery. The worldwide status at the beginning of 2006.   Biorefinery.nl- publication, juillet 2006.
http://www.biorefinery.nl/fileadmin/biorefinery/docs/bioref/bioref0603.pdf (consulté le 26/02/07)
    Biorefinery Concepts.   http://www.biorefinery.nl
    Chemrec, black liquor gasification   http://www.chemrec.se (consulté le 01/03/07)
EKBOM T., LINDBLOM M., BERGLIN N., AHLVIK P.   Technical and Commercial Feasibility Study of Black Liquor Gasification with Methanol/DME Production as Motor Fuels for Automotive Uses – BLGMF   Chemrec - Altener Contract No 4.1030/Z/01-087/2001, December 2003
http://www.chemrec.se/documents.aspx
    Renew, substainable energy systems for transport.   http://www.renew-fuel.com
    Renewable Fuels Association (RFA)   http://www.ethanolrfa.org (consulté le 01/03/07)
     
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