Diapositives conférence : De la matière et des calories, vers une nouvelle économie du carbone by Espace des sciences

Énergies renouvelables | Production éco-responsable | Transports innovants | Procédés éco-efficients | Ressources durables

De la matière et des calories; vers une nouvelle économie du carbone

Dr. Jean-Luc Duplan

Le tableau périodique Ces 8 éléments constituent 98,5 % de la matière terrestre

Et le carbone ?

0,05 % de Carbone mais il est essentiel

- Pour le vivant

- Pour le climat

- Pour l’énergie - Pour la vie de tous les jours

Atmosphère CO2 (~ 400 ppm fin 2014) et CH4 750 GtC

60 GtC

Stock et flux GtC/an 0,1 GtC

7,7 – 8,4 GtC

1,5 1,9 GtC

Carbones fossiles 16 000 GtC

Chgt d’usages des sols

63 GtC

Organismes vivants 810 GtC

90 GtC

92,3 GtC

Océans Surface 1 020 GtC

Sols 1 580 GtC

Séd. 0,4 GtC/an

Volcanisme

Sédiments 150 GtC

0,2 GtC

Profondeurs 38 100 GtC

Sources: GIEC, Friedlenstein et al., 2010; Pan et al., 2011

Augmentation des gaz à effet de serre Intergovernmental Panel on Climate Change

Gaz à effet de serre Carbone dioxyde

Methane Nitrous Nitrousoxyde oxyde

Beginning of Industrial period

Source : Panorama IFPEN

Variation des émissions sur 25 ans : + 57 %

Augmentation des émissions de CO2 – 25 ans-

ÂŠ 2014 IFP Energies nouvelles

Usages du carbone non alimentaires

96 % de calories - 4 % de matiĂ¨res 9500 Millions de tonnes de Carbone Fossile par an

400 Mt

ÂŠ 2011 - IFP Energies nouvelles

9000 Mt

Energie

Chimie

Energies primaires Production mondiale 2%

Consommation française

Fossiles

2 % 2%

10%

Nucléaire

Biomasse 41 % 82%

50%

Hydraulique

Autres

FRANCE

MONDE

~ 260 Mtep

~ 13000 Mtep

Source: IEA et MEDDM

Les défis à relever: Croissance de la demande mondiale d'énergie Non-OECD OECD

Gteq Pétrole

19,2 Gteq Pétrole

+ 54% 2008-2035

15 10 5 0

1990

2000

2008

2015

2020

2025

2030

2035

Source DOE/EIA 2011

La demande mondiale d'énergie augmentera de plus de 60 % d'ici à 2050, tirée essentiellement par les pays émergents (source IFPEN)

La ressource biomasse : trois raisons de s’y intéresser 

Indépendance énergétique 



Impact environnemental 



Prix des sources fossiles - pétrole brut Carbone renouvelable ; réduction des émissions de gaz à effet de serre

Activité économique agricole, sylvicole et marine 

Nouveaux débouchés, nouveaux emplois

=> incitations réglementaires dans différents pays

Quelques objectifs attendus en Europe et en France 

Objectifs environnementaux   



Contexte socio-économique: 

Mix énergétique : 23 % d’énergie renouvelable en France d’ici 2020 Secteur des transports: 10% d’énergie renouvelable en Europe d’ici 2020 Industrie chimique : 15% de produits biosourcées en France en 2017 (Grenelle de l’Environnement ; 7 % en 2007)



Demande des consommateurs  une préférence pour des produits à faible impact environnementale Demande industrielle  une préférence pour une plus grande flexibilité dans le choix des sources d’énergie et de matière première

La biomasse: source d’énergie et de matières premières (hors matériaux) bas

élevé

Principales Ressources

Conversion

Produits élevée recherchés

Huiles végétales Specialités chimiques

Sucres

Volume Ressource

Bases chimiques Valeur ajoutée

Amidons

Coût

Grains entiers

THERMOCHIMIQUE

Biomasse Lignocellulosique

Torréfaction Pyrolyse Combustion Gazéification

cellulose hemicellulose lignine

élevé bas

Biocarburants & Biogaz

Chaleur / électricité

faible

La biomasse: source d’énergie et de matières premières (hors matériaux) bas

élevé Ressources

Conversion

Produits recherchés

élevé

Huiles végétales Specialités chimiques fermentation

Sucres

Volume Ressource

BIOCHIMIQUE Amidons

enzymes

Biomasse Lignocellulosique cellulose hemicellulose lignine

élevé bas

Valeur ajoutée

Biocarburants & Biogaz

Coût

Grains entiers

Fermentation Procédés enzymatiques

Bases chimiques

Prétraitement + hydrolyse

Chaleur / électricité

faible

La biomasse: source d’énergie et de matières premières (hors matériaux) bas

élevéRessources Huiles végétales

Conversion

extraction

CATALYTIQUE

Produits recherchés Specialités chimiques

Sucres

Volume Ressource

Bases chimiques Valeur ajouté

élevé

Grains entiers

Biomasse Lignocellulosique cellulose hemicellulose lignine

élevé bas

Biocarburant & Biogaz

Chaleur / électricité

faible



Les biocarburants actuels

Les biocarburants actuels ou de 1er génération 



Plantes amylacées (amidon)

Plantes sucrières

USA

Brésil



Plantes oléagineuses

Les biocarburants actuelles (génération 1) Procédés et ressources associées Plantes oléagineuses Biodiesel

Plantes saccharifères

Éthanol pur ETBE Plantes amylacées

Les procédés de production d'EMHV – 1ère génération 

Triesters d'acide gras et de glycérol C18:0 tristéarine

O H2-C-O-C O H-C-O-C O H2-C-O-C

Acides gras

Point de fusion

C12 : 0 C16 : 0 C18 : 0 C18 : 1 trans C18 : 2 C18 : 3

44 °C 63°C 69°C 45°C -5°C -11°C

C18:3 trilinolénine

CH3 CH3 CH3

2 voies lipidiques de production de biocarburants O

Lipides

Biodiesel

3 MeOH

Nouveau Bio-jet fuel VEGAN™

R2 O

Esterfip-H™

Esters

R2COOMe R3COOMe

Glycerine

+ OH

+ H2O, propane, CO2, CO

Iso-Paraffines (C14- C18)

Les filières biocarburants actuelles

Normes de mélange des produits en Union Européenne

Biomasse/energie: bilan CO2 ~ 0

C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O

source : iea bioenergy

6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2

Biocarburants critères de durabilité UE Carburant fossile conventionnel

100.0

Dès 2009

65.0

Dès 2017

La réduction des émissions de CO2 dépend Des biocarburants

50.0

Après 2017

40.0

100

% de GES émis pour un biocarburant par rapport à la référence fossile

[1] Directive 2009/28/CE DU PARLEMENT EUROPÉEN ET DU CONSEIL du 23 avril 2009 relative à la promotion de l’utilisation de l’énergie produite à partir de sources renouvelables et modifiant puis abrogeant les directives 2001/77/CE et 2003/30/CE



Les biocarburants de demain



La 2em génération

Les biocarburants de 2ème génération 

Les biocarburants de 2ème génération sont produits à partir de ressources lignocellulosiques :   



Résidus agricoles (pailles, drèches) Résidus forestiers Cultures dédiées

Les biocarburants de 2ème génération se distinguent par leur procédé de fabrication et leur utilisation



…Une complexité extrême dans l’organisation interne de la biomasse lignocellulosique : 1-2 µm

1-10 µm

2 solutions

0,1 µm

3nm

Voie biologique (récupération sucres pour produire éthanol)

On récupère les composés d’intérêt par des traitements doux

On « casse » tout et on reconstruit des molécules d’intérêt

12nm

Voie thermochimique pour produire gaz de synthèse

2em génération de biocarburants

Pyrolyse

hydroliquefaction

Gazéification : CO+H2 Carburants biosourcés

Hemicellulose

Lignine

Cellulose

Sucres : hydrolyse enzymatique et fermentation (ethanol)

Les biocarburants du futur (2em génération)

Le projet FUTUROL Ethanol 2G

Le projet Biogazole 2G

Le projet GAYA Biogaz

Axens, CEA, IFP Energies nouvelle, Sofiproteol, , Total et Uhde GmbH

XtL/BtL Les carburants de synthèse

GtL Malaysia (SHELL) Capacity: 14,500 bpd Start up: 1993

Gaz naturel Charbon

gazéification

Syngas

Qatar (QP/Sasol) Capacity: 33,000 bpd Start up: 2007

Hydrocarbures

Biomasse South Africa (Petro SA & Sasol) Capacity> 200,000 bpd Last Start up: 1993

Residus

CtL

Toute source de carbone et d'hydrogène

Gazéification

CO + H2

pas de soufre pas d'aromatique

Pas d'unité commerciale

CxHyOz + O2 + H2O

Carburants de grande qualité: Diesel et Kerozène

excellent indice de cétane

n(-CH2-) + n H2O Fischer – Tropsch

synthese (FT) + upgrading

Indirect Thermochemical conversion  to Biodiesel & Biojet R&D centers

licensers

Industrial operators

co-processing

feed flexibility

 3t/h pretreated biomass

BioTfueL project J.-C. Viguié et al. OGST, 68 (2013) 935-946

Pilot phase completed Demonstration unit under construction: Venette (pretreatment), Dunkirk (gasification => FT)

Les biocarburants du futur (2em génération)

LE PROCEDE COPRODUITS AGRICOLES ET FORESTIERS RESIDUS BIOMASSE DEDIEE

BACTERIES CHAMPIGNONS

BIOMASSE PRETRAITEE

ENZYMES

PRETRAITEMENT

DISTILLATION

HYDROLYSE ENZYMATIQUE

SUBSTRAT FERMENTESCIBLE

ETHANOL

FERMENTATION

LEVURES

Biocarburant de 2G Éthanol : Principe de la Libération des Sucres Action des enzymes CBH

Prétraitement

Conditionnement

Lignine Hemicellulose Cellulose

Hydrolyse

microfibrilles cellulose

Les biocarburants de 2ème génération L’éthanol 2G – L’hydrolyse enzymatique 

L’hydrolyse enzymatique de la cellulose nécessite 3 enzymes distinctes :

G-G G-G G-G

G-G

G-G G-G

G-G

G-G G

Attaque aléatoire des endoglucanases pour créer de nouveaux bouts de chaîne Attaque des bouts de chaîne par les cellobiohydrolases pour produire le cellobiose Hydrolyse du cellobiose en glucose par les béta-glucosidases

De nouvelles technologies pour un autre type de ressources: la lignocellulose

ÂŠ 2014 IFP Energies nouvelles

Etat des lieux dans le monde

Microalgaes

Jean-Paul CADORET

Laboratoire Physiologie et Biotechnologie des Algues



Les biocarburants de demain ?



La 3em génération

Les biocarburants de 3ème génération Les algues 

Les biocarburants de 3ème génération utilisent les algues comme biomasse de départ 



Macroalgues : Source potentielle de glucose mais aussi d’autres sucres Microalgues : Sélection de microalgues à haute teneur en lipide (> 20% pds)

Source Jean-Paul CADORET Laboratoire Physiologie et Biotechnologie des Algues

S. Baldauf, Science, 300, 1705, 2003, modified from Felhing et al 2008

Les biocarburants de 3ème génération 

Schéma de production des m algues:

Sélection et production des µalgues



Culture

Transport et Extraction des Transformation des lipides prétraitement lipides

Exemples de production des m algues : Circuit d’eau ouvert

Utilisation

Photobioréacteur tubulaire

Quel potentiel pour les filières µalgues ? Sélection et production des µalgues

Culture

Transport et prétraitement

Extraction de Transformation des lipides l'huile

Utilisation

Une chaîne de procédés coûteuse énergétiquement et économiquement

Il est préférable de viser des Cycle deàProduction µalgues ajoutée  carburant produits haute valeur Objectifs: Améliorer les bilans énergétiques, économiques et environnementaux R&D : sélection des µalgues, procédés de culture, valorisation des co-produits

INFRASTRUCTURE •Surface de production 1500m² (dont 350m² sous serre) •Halle Process de bioraffinage des algues (240m²) •Salles préculture et laboratoire d’analyse (100m²) PROCEDES DE CULTURE : 10 à 100m² •Technologies low-cost type Raceways clos •Photobioréacteurs intensifiés nouvelle génération PROCEDES DE RECOLTE •Systèmes de préconcentration/concentration •Procédés de filtration et séparations membranaires •Centrifugeuses

Objectifs •Etudes en conditions réelles et à une échelle représentative de la production industrielle. •Développement et optimisation des briques du procédé d’exploitation (souches, technologies). •Assemblage sur un même site des briques pour évalueroptimiser un scénario d’exploitation. •Mise en place et optimisation d’une production sur effluents industriels (gaz, liquides).

PROCEDES DE BIORAFFINAGE •Destructeur cellulaire •Procédés d’extraction •Procédés de fractionnement CONDITIONNEMENT DE LA BIOMASSE •Sécheurs •Lyophilisateur •Congélateurs BUDGET : 3.5M€

De nouvelles ressources ….? 



Procédés en cours de R&D

Souches de levures génétiquement modifiée pour la production de lipides via culture hétérotrophe Mobilisation de ressource productrice de sucres (betterave, canne, lignocellulose, ….) Source: adapted from (Weber et al., 2010)



La chimie bio-sourcée

La biomasse : source de matière première pour la chimie  La chimie du végétal utilise environ 30 millions de tonnes de cultures soit 6 millions ha, c’est-à-dire moins de 0,5 % de la totalité des terres arables (estimation Roquette)

 Les bioplastiques représentent environ 1 million de tonnes au niveau mondial soit 0,1 % de la totalité des terres arables

Terres utilisées par la chimie du végétal aujourd’hui

De nombreux acteurs économiques présents Chimistes Bioraffineurs

Experts dans la transformation de ressources végétales

Technologues

Experts en Biotech et fournisseurs de solutions

Biosourcé &Chimie

Biotech.& Chimie

Développement des produits bio-sourcés et polymères

Double compétence biotech. et chimie

Commodities

Specialties

Pétro & Chimie

Principalement concentrés sur la chimie base fossile

Des filières Sucres et Amidons industrielles Conversion chimique et/ou thermomécanique

Liants

Oligomères et Polymères à base d’amidon

Métathèse

Thermoplatiques

Propylène

PVC

PHAs Fermentation

Blé, maïs, pomme de terre..

Déshydratation

Amidon Fermentation

Hydrolyse enzymatique

Sucre (betterave, sucre de canne)

MEG

Sucres C5, C6 Fermentation

Acides Aminés : Lysine, Glutamate…

Fermentation

3 HPA

Fermentation

Industriel

Acide acrylique

PBS

Esters de citrate

Acide succinique

THF

Séquestrants

1,4-BDO Polyether polyols

Sorbitol Isoprène

Isosorbide Isobutanol

Aromatiques

Isobutène

Elastomères

n-isopropanol

Propylène

Esters d’Isosorbide

Glycols

Polyisopropène

Fermentation

Pilote

PLA

Acide acrylique

Acide gluconique

Fermentation

Polyamides, PU

Acide lactique

Fermentation

Hydrogénation

Vinyl Chloride 1,2 - PDO

Acide citrique

Fermentation

1,3 - PDO

Ethylène

Acide Adipique

Fermentation

Polymères

Ethanol

Polycarbonate Polyesters

Acide ascorbique

Para-xylène

PTA

PET

FDCA

PEF

Fermentation

R&D Fermentation

Acide itaconique

Thermo-hydro reformage Déshydratation chimique

HMF/MMF

Latex Benzène Xylènes Toluène

Vers des bioproduits Ethanol: une molécule plateforme Essence Diesel Jet fuels Conversion & Upgrading

Raffinage & Upgrading

OH OH O

HO O O

O HO OH

Fossil ressource

HC Fraction

deshydration

Steam cracking

Propylene: AAGR*: 4.2% 2011- capacité: 96 Mt/Y 2035- capacité: 250 Mt/Y *average annual gross rate

EtOH

Ethylene

Plateforme biomolecules 2G Biomasse

Butadiene: AAGR*: 4% 2011- capacité: 15 Mt/Y 2035- capacité: 37 Mt/Y

Du biocarburant aux bioplastiques biologique PourVoieun développement industriel réussi Catalyse hétérogène Catalyse homogène Au moins quatre conditions incontournables Bio-1-Butene - Une ressource disponible à un coût acceptable AlphaButol™ ™ - Une énergie ou un produit compétitif copolymerization Bio 100% EtOH Ethylene BioPE - Un bilan environnemental satisfaisant AlphaHexol™ - Des chercheurs (doctorants) hautement qualifiés Bio-1-Hexene

Chimie biosourcée

AlphaButol™ homogeneous catalyst, soft cond., selective process, 30 units AlphaHexol™ homogeneous catalyst, high purity comonomers for PE

IFPEN

Des chercheurs hautement récompensés

Yves Chauvin Prix Nobel de chimie 2005

Hélène Olivier-Bourbigou Prix Irène Joliot-Curie Femme scientifique de l’année 2014

ÂŠ 2011 - IFP Energies nouvelles