Biocarburant

Un biocarburant est un carburant liquide ou gazeux créé à partir de la transformation de matériaux organiques non fossiles issus de la biomasse, par exemple des matières végétales produites par l’agriculture (betterave, blé, maïs, colza, tournesol, pomme de terre, etc.).

Les biocarburants sont assimilés à une source d’énergie renouvelable. Leur combustion ne produit que du CO₂ et de la vapeur d'eau et pas ou peu d'oxydes azotés et souffrés (NO_x, SO_x).

Terminologie

Si la langue anglaise n’a retenu qu’une seule appellation « biofuel », plusieurs dénominations coexistent dans la langue française : biocarburant (terme retenu par le Parlement européen), agrocarburant ou carburant végétal. Le terme d’ « agrocarburants » est toutefois plus restrictif : il n'inclut notamment pas les carburants issus de la biomasse forestière ou des algues. Ces deux termes ne sont donc pas totalement substituables. De plus, un changement de terminologie aurait pu engendrer des difficultés juridiques (entre législation nationale et européenne) et pratiques de compréhension par le grand public.

On distingue trois générations de biocarburants, dont la composition peut varier.

De première génération

Les biocarburants de première génération entrent en concurrence directe avec la chaîne alimentaire. Ils sont produits à partir de matières premières qui peuvent être utilisées dans une chaîne alimentaire animale ou humaine.

Ils sont principalement de deux types : 

• le bioéthanol : il est produit à partir de canne à sucre, de céréales et de betterave sucrière.  Il est utilisé dans les moteurs essence ;
• le biodiesel : il est dérivé de différentes sources d’acides gras, notamment les huiles de soja, de colza, de palme et d’autres huiles végétales. Il est utilisé dans les moteurs diesel.

Aujourd’hui, seule cette génération est produite à l’échelle industrielle.   

De deuxième génération

Des technologies sont actuellement mises au point pour exploiter les matières cellulosiques telles que :

• le bois ;
• les feuilles ;
• les tiges des plantes ;
• les déchets.

On qualifie ces matières de biomasse ligno-cellulosique car elles proviennent de composants ligneux ou à base de carbone qui ne sont pas directement utilisés dans la production alimentaire. Ces caractéristiques présentent un avantage de disponibilité supérieure et de non concurrence alimentaire par rapport à la première génération de biocarburants.

Cette technologie permet de produire du bioéthanol dit de deuxième génération, du biodiesel, du biohydrogène ou du biogaz. Elle n’est pas encore déployée au stade industriel, mais des perspectives de mise en application à moyen terme se dessinent. Leur production à grande échelle est prévue à l’horizon 2020-2030.

De troisième génération

Les procédés, encore à l’étude, s’appuient principalement sur l’utilisation de microorganismes, telles que les microalgues.

Celles-ci peuvent accumuler des acides gras permettant d’envisager des rendements à l’hectare supérieurs d’un facteur 30 aux espèces oléagineuses terrestres. A partir de ces acides gras, il est possible de générer du biodiesel.

Certaines espèces de microalgues peuvent contenir des sucres et ainsi être fermentées en bioéthanol. Enfin, les microalgues peuvent être méthanisées pour produire du biogaz. Certaines d’entre elles peuvent également produire du biohydrogène.

Il existe plusieurs techniques de production des carburants.

Commençons par ceux de première génération, produits à partir de matières végétales.

Bioéthanol

Le bioéthanol est produit à partir de la fermentation du sucre présent dans la matière végétale, transformant ainsi le sucre en alcool, également connu sous le nom d'éthanol. Ce processus de fermentation implique généralement l'utilisation de cultures végétales riches en sucre telles que la canne à sucre, le maïs, la betterave sucrière ou la biomasse lignocellulosique.

Une fois le sucre fermenté, l'éthanol est mélangé à de l'essence, soit directement, soit sous une forme chimiquement modifiée pour être utilisé comme carburant.

Biodiesel

Le biodiesel est fabriqué à partir d'une réaction chimique appelée transestérification, qui implique la réaction entre une huile végétale semi-raffinée et un alcool. Les huiles végétales les plus couramment utilisées dans la production de biodiesel proviennent de cultures telles que le colza, le tournesol ou le soja. Le processus de transestérification consiste à mélanger ces huiles végétales avec un alcool, généralement du méthanol ou de l'éthanol, en présence d'un catalyseur tel que l'hydroxyde de sodium ou de potassium.

Ce processus chimique transforme les huiles végétales en esters méthyliques ou éthyliques, qui constituent le biodiesel. Une fois produit, le biodiesel est mélangé exclusivement au gazole et peut être utilisé comme carburant dans les moteurs diesel conventionnels.

Biocarburant de première génération (©DR, d'après source IFP)

Il existe deux principales méthodes de production des biocarburants de seconde génération, qui exploitent des techniques plus avancées pour utiliser plus efficacement la biomasse.

Ces méthodes de production de biocarburants de seconde génération visent à surmonter certains des défis associés à la production de biocarburants de première génération, tels que la compétition avec l'approvisionnement alimentaire et l'utilisation inefficace des ressources.

Voie thermochimique ou gazéification

La biomasse est soumise à un processus de gazéification, où elle est transformée en un gaz composé principalement d'hydrogène et de monoxyde de carbone. Pour cela, des conditions extrêmes de pression et de température sont nécessaires, souvent autour de 1 000 °C et 4 bar de pression. Une fois le gaz produit, il peut être converti en carburant utilisable via une réaction chimique connue sous le nom de réaction de Fischer-Tropsch.

Cette réaction permet de synthétiser des hydrocarbures liquides à partir du gaz de synthèse obtenu par la gazéification de la biomasse.

Voie biochimique

La biomasse est d'abord traitée pour extraire les sucres qu'elle contient, généralement en utilisant des enzymes. Ces sucres sont ensuite fermentés pour produire de l'éthanol. Contrairement à la première génération de biocarburants qui utilise principalement des cultures riches en sucre ou en amidon (comme le maïs ou la canne à sucre), la voie biochimique de seconde génération permet d'utiliser une gamme plus large de biomasse lignocellulosique, y compris les déchets agricoles, les résidus forestiers et les cultures énergétiques spécialement cultivées pour cette fin.

Le produit final, appelé éthanol de "seconde génération", est considéré comme plus durable car il utilise des ressources non alimentaires et évite les conflits potentiels avec la production alimentaire.

Biocarburant de deuxième génération (©DR, d'après source IFP)
 

Les biocarburants de troisième génération ne sont encore qu’au stade de la recherche et de projets pilotes. Une des principales pistes de réflexion est basée sur le fait que certains micro-organismes peuvent fournir de l’hydrogène ou des lipides (acides gras) sous l’effet de la lumière et d’autres substances chimiques.

Usage de biocarburants par type de transport

L'usage varie selon les politiques nationales, les réglementations environnementales, les avancées technologiques et d'autres facteurs spécifiques à chaque pays ou région.

Transport routier

Les biocarburants sont souvent utilisés dans le secteur du transport routier, où les mélanges de biodiesel et d'éthanol sont couramment utilisés pour réduire les émissions de gaz à effet de serre. Dans de nombreux pays, les politiques de biodiesel obligatoire et les mélanges d'éthanol dans l'essence sont en place pour favoriser l'utilisation de biocarburants dans les véhicules légers (voiture) et lourds (camion).

Transport aérien

Bien que les biocarburants aient été testés et utilisés dans le transport aérien, leur utilisation à grande échelle dans ce secteur reste limitée en raison de défis techniques et économiques. Cependant, certaines compagnies aériennes ont commencé à introduire des mélanges de biocarburants pour faire voler leurs avions, afin de réduire leur empreinte carbone.

Transport maritime

Le secteur maritime commence également à explorer l'utilisation de biocarburants comme alternative plus propre aux carburants conventionnels. Certaines compagnies maritimes testent des mélanges de biodiesel et d'autres biocarburants dans leurs flottes pour réduire les émissions de CO2 et se conformer aux réglementations environnementales plus strictes.

Mélange avec les carburants classiques

Les biocarburants ne sont pas clairement identifiés en tant que tels dans les stations-service. Et pour cause, ils sont déjà mélangés aux carburants traditionnels d’origine fossile lorsqu’ils sont distribués. La proportion de biocarburants incorporés diffère selon les types de motorisations auxquels ils sont destinés et selon les réglementations des pays.

Le bioéthanol, principalement produit à partir de canne à sucre, de céréales ou de betterave, est incorporé dans l’essence, tel quel ou sous forme d’ETBE (éthyl-tertio-butyl-éther), produit de la réaction entre du bioéthanol et de l’isobutylène.

Le biodiesel, produit à partir d’huiles végétales (soja, colza, etc.) ou de graisses animales, est quant à lui utilisé comme complément dans le gazole. Il est incorporé sous forme d’EMAG (esters méthyliques d’acide gras, obtenus après une réaction dite de « transestérification » des huiles végétales ou graisses animales. Suite à une réaction avec du méthanol dans le cas des EMAG) ou d’EEAG (esters éthyliques d’acide gras, obtenus suite à une réaction avec de l’éthanol).

En France, tous les carburants distribués dans les stations-service contiennent des biocarburants avec un taux d’incorporation plus ou moins important (en volume) :

• le gazole contient jusqu’à 7% de biodiesel ;
• les supercarburants sans plomb SP95 et SP98 intègrent jusqu’à 5% de bioéthanol ;
• le SP95-E10 ou E10 contient jusqu’à 10% de bioéthanol ;
• le superéthanol E85 peut incorporer entre 65% et 85% de bioéthanol et 35% à 15% d’essence.

D’autres biocarburants sont actuellement testés en France comme le « gazole B30 » (30% de biodiesel), destiné dans un premier temps à des flottes captives (Véhicules d’entreprises, taxis, poids lourds, etc.). L’usage des huiles végétales pures (HVP) est par ailleurs actuellement toléré pour les agriculteurs, les pêcheurs et certaines collectivités.

Précisons que c’est en Amérique latine que le taux d'incorporation global de biocarburants est le plus élevé au monde, avec notamment un important parc de véhicules adaptés à l'éthanol pur au Brésil.

Un intérêt environnemental relatif

La combustion des carburants issus de sources fossiles est étroitement liée aux émissions de gaz à effet de serre (GES), contribuant ainsi de manière significative au changement climatique et à ses impacts dévastateurs. En revanche, les biocarburants offrent une perspective différente : le carbone émis lors de leur combustion a été préalablement capturé par les plantes lors de la photosynthèse. Par conséquent, le bilan carbone des biocarburants semble a priori neutre.

Cette caractéristique est fondamentale dans le contexte de la lutte contre les changements climatiques. En optant pour les biocarburants, on s'engage dans une approche de réduction des émissions nettes de carbone dans l'atmosphère, ce qui peut contribuer à atténuer l'impact du réchauffement climatique.

Toutefois, il est crucial de noter que malgré ce bilan carbone a priori neutre, la production et l'utilisation des biocarburants peuvent avoir des implications environnementales et sociales importantes. Par exemple, la conversion de terres agricoles pour la production de biomasse destinée aux biocarburants peut entraîner la déforestation, la perte de biodiversité et des conflits liés à l'utilisation des terres. De plus, des pratiques agricoles intensives utilisées pour cultiver ces biomasses peuvent entraîner une dégradation des sols, une utilisation excessive de l'eau et une pollution des cours d'eau.

Par conséquent, bien que les biocarburants puissent sembler être une solution prometteuse pour réduire les émissions de GES, il est impératif de mettre en place des politiques et des pratiques de durabilité robustes pour garantir que leur production et leur utilisation contribuent réellement à la réduction des émissions de carbone tout en minimisant les impacts néfastes sur l'environnement et les communautés locales.

Enfin, le terme de biocarburants laisse supposer que ces carburants sont parfaitement respectueux de l’environnement. Or, la culture des plantes à l’origine des biocarburants de 1re génération (à partir de céréales, soja, colza, etc.) mobilise l’apport de nombreux intrants (engrais, produits phytosanitaires, etc.) et occupe des terres arables. Le préfixe « bio » n'est donc pas considéré comme légitime selon certains observateurs.

La production de biocarburant utilise-t-elle la surface agricole destinée à l’alimentation ?

La réponse dépend du mode de production des biocarburants. Ces modes sont généralement classés en 3 catégories appelées « générations ». En effet, des progrès techniques ont permis de faire évoluer les procédés de production.

Les premiers procédés utilisent les terres agricoles pour produire des végétaux généralement comestibles et travaillés de telle sorte à fournir des biocarburants.

Qualifiant aussi bien une classification chronologique qu’une filière, ils sont appelés « première génération ». Dans ce mode productif, par définition, il y a utilisation des surfaces agricoles pour produire des biocarburants et donc concurrence entre énergie et alimentation.

Les autres modes productifs n’utilisent pas de terres agricoles. Pour rappel, il s’agit de la « deuxième génération » qui valorise les résidus et les déchets des végétaux (ex : matières cellulosiques telles que le bois, les feuilles des plantes, les tiges…), non utilisés par ailleurs. La « troisième génération », encore en phase expérimentale, utilise quant à elle des piscines, des réacteurs pour faire croître des micro-organismes de type algues à développement rapide, susceptibles d’être ensuite traitées pour fournir des biocarburants.

Intérêts économiques

Les biocarburants jouent un rôle crucial en tant que source alternative et supplémentaire de carburant, ouvrant de nouvelles perspectives dans le domaine agro-industriel. Cette innovation représente une évolution significative dans le secteur énergétique en offrant une alternative renouvelable aux carburants d'origine fossile. En outre, l'essor des biocarburants stimule le développement de nouvelles filières agro-industrielles, favorisant ainsi la création d'emplois et la croissance économique dans les régions productrices de biomasse.

L'un des avantages clés des biocarburants est leur capacité à réduire la dépendance énergétique des pays producteurs vis-à-vis des carburants fossiles. En diversifiant leur source d'approvisionnement en carburant, ces nations peuvent atténuer les risques liés à la volatilité des prix et aux fluctuations des marchés mondiaux du pétrole. Cette réduction de la dépendance énergétique renforce la sécurité énergétique et favorise la résilience économique des pays producteurs de biocarburants.

Cependant, ils possèdent actuellement un rendement énergétique « du puits à la roue » inférieur à celui des sources fossiles (dont on ne comptabilise pas le coût de fabrication pendant des millions d’années) et leur production est limitée par la disponibilité des terres.

Un regain d'intérêt avec la hausse des prix des carburants fossiles

Les biocarburants sont présentés comme une alternative aux carburants automobiles traditionnels mais leur utilisation n’est pas une nouveauté : en 1903, le record mondial de vitesse à 177 km/h est obtenu avec une Gobron-Brillié roulant au bioéthanol.

Aux débuts de l’industrie automobile, à la fin du XIXe siècle, le pétrole et ses dérivés sont peu employés. Les motoristes se servent plutôt de ce qui n’est pas encore appelé « biocarburant » :

• Nikolaus Otto, inventeur du moteur à combustion interne (1876), conçoit celui-ci pour fonctionner avec de l’éthanol. La Ford T (produite de 1908 à 1927) roule également avec cet alcool ;
• Rudolf Diesel, inventeur du moteur portant son nom (1897), se base sur l’huile d’arachide pour faire tourner ses machines.

Au milieu du XXe siècle, le pétrole devient abondant et bon marché, provoquant un désintérêt des industriels et des consommateurs pour les biocarburants.

Or les deux chocs pétroliers (1973 et 1979) provoquent un regain d’intérêt pour les biocarburants pour des questions stratégiques et économiques. 

Le contre-choc pétrolier de 1986 a réduit l’enthousiasme pour les biocarburants. Mais en 2000, une nouvelle hausse du prix du pétrole et la nécessité de réduire l’effet de serre ont incité les gouvernements à multiplier les discours favorables au secteur des biocarburants.

Investissements dans la recherche

La position des biocarburants dans le futur champ énergétique va principalement être conditionnée par le développement de la deuxième génération de biocarburants. On assiste à un effort de recherche et développement sans précédent au niveau international. Les États-Unis misent sur l'éthanol cellulosique. Le Brésil, premier producteur mondial d'éthanol, s'y intéresse également. L'Europe, quant à elle, mise sur les deux voies, éthanol cellulosique et des biocarburants obtenus par voie thermochimique. Plusieurs unités pilotes fonctionnent déjà et beaucoup sont en projet. Tout l'enjeu est de produire ces biocarburants à un prix compétitif avec les meilleurs bilans environnementaux possibles. Compte tenu des verrous économiques et technologiques qu'il faut encore lever, les installations industrielles ne devraient pas voir le jour avant 2015/2020.

Parmi les prévisions, l’Agence internationale de l’Energie (l’AIE) estime que les biocarburants pourraient fournir jusqu'à 27% du carburant utilisé dans les transports dans le monde en 2050⁽⁵⁾.

Risques et externalités négatives

L’utilisation de biocarburants de première génération peut entraîner l’augmentation de la demande et la hausse des prix des produits agricoles. Celle-ci peut créer l’instabilité sociale dans les pays pauvres. En effet, il est à noter qu’en Haïti et dans d’autres pays d’Afrique comme le Sénégal ont déjà éclaté des émeutes de la faim.   

De plus, la production de ces biocarburants requiert un travail humain, agricole, de transport, de procédé industriel, et donc une consommation de carburants et éventuellement d’autres substances dont l’usage produit aussi des GES.

Par ailleurs, le caractère durable de la production des agrocarburants peut être mis à mal si elle est réalisée de manière non durable : épuisement des sols, pollution des eaux et destruction de milieux naturels pour cette production.

La directive européenne 2009/28/CE⁽¹⁾ avait fixé un objectif d'intégration des sources renouvelables dans le secteur des transports d'au moins 10% pour chaque État membre d'ici 2020. L'objectif aurait été atteint, notamment du fait de l'application de coefficients multiplicateurs⁽²⁾.

La politique de l'Union européenne (UE) concernant les biocarburants présente des lacunes en termes de stabilité, en grande partie en raison de problèmes de durabilité, ce qui a entraîné un manque de clarté sur les perspectives à long terme pour le secteur. Malgré les objectifs fixés pour 2020, la plupart des États membres n'ont pas réussi à les atteindre, et les changements fréquents dans la législation et les priorités ont entraîné une incertitude préjudiciable aux investisseurs. De plus, depuis 2015, les limites ont été imposées à la contribution des biocarburants aux objectifs de l'UE, ce qui a entravé leur potentiel de croissance.

Toutefois, avec le paquet « Ajustement à l'objectif 55 » et la révision de 2023 de la directive sur les énergies renouvelables (RED III), la Commission européenne a revu à la hausse les objectifs en matière de biocarburants pour 2030. Malgré cela, les feuilles de route manquent pour indiquer comment ces objectifs seront atteints, notamment dans les secteurs du transport aérien et maritime. De plus, l'incertitude persiste quant à l'avenir des biocarburants dans le transport routier, avec des signaux indiquant que d'autres sources d'énergies renouvelables pourraient être privilégiées à l'horizon 2030.

Par ailleurs, le secteur des biocarburants doit faire face à une concurrence croissante pour les matières premières, notamment avec d'autres industries telles que l'alimentation, les cosmétiques, les produits pharmaceutiques et les bioplastiques. Les défis relatifs à la disponibilité et à la durabilité de la biomasse pourraient entraver la croissance de la production et engendrer des distorsions sur les marchés des matières premières. De plus, l'UE manque d'une stratégie spécifique pour la biomasse, ce qui accentue la dépendance accrue aux importations de matières premières. Malgré le soutien financier de l'UE, le déploiement des biocarburants avancés reste lent en raison de l'insécurité des investissements, des coûts élevés et des défis liés à l'intensification de la production.

Il existe trois principales zones productrices qui produisent près de 85% des biocarburants dans le monde⁽²⁾.

Les États-Unis : 27,4 Mtep en 2012 (45,5% de la production mondiale)

Longtemps loin derrière ses concurrents, les États-Unis ont investi le marché en se fixant des objectifs ambitieux : alors qu'en 1999, il n'y avait qu'une seule unité de production de biodiesel sur le territoire des États-Unis, en 2008, on pouvait dénombrer 173 sociétés de production de biodiesel, capables de produire jusqu'à 10,9 milliards de litres/an, soit l'équivalent de la consommation mondiale de 2008.

Le développement américain des biocarburants a pris de l’ampleur en 2007 avec le programme Renewable Fuel Standard (RSF1). Ce programme fixant des objectifs d'intégration des biocarburants (en volume) dans les transports traduit la volonté du gouvernement américain de diversifier les sources d'énergie et de diminuer la dépendance énergétique vis-à-vis de pays exportateurs d'énergies fossiles.

En Amérique du Nord, la production de biocarburants a pour la première fois dépassé un niveau moyen d'un million de barils par jour⁽⁴⁾. Cette production a plus que doublé entre 2007 et 2011.

Deux axes sont développés : renforcer la production de biodiesel et développer massivement les biocarburants de seconde génération.

Le Brésil : 13,5 Mtep en 2012 (22,5% de la production mondiale)

Le Brésil s'est longtemps classé en tête au niveau mondial car le développement des biocarburants a été mis en place dès les années 1970. Le plan Proalcool, lancé à cette époque, avait pour objectif d’ouvrir de nouveaux débouchés au secteur sucrier en crise. Il s’agit principalement de la production d’éthanol à partir de la canne à sucre. L’État brésilien a contribué une grande part dans le développement du secteur des biocarburants.

L’Europe : 10,0 Mtep en 2012 (16,6% de la production mondiale)

Leader mondial sur le marché du biodiesel en 2010, l'Europe est une des régions les plus motrices après les États-Unis et le Brésil dans la production et l'usage des biocarburants.

Les dirigeants européens se sont engagés à augmenter la part des biocarburants dans les transports, passant de 2% en 2010 pour atteindre 10% d’ici 2020. Cet objectif ambitieux n'est pas sans poser certaines questions, notamment sur la ressource disponible en biomasse.

Deux pays européens se démarquent du point de vue de la production de biocarburants : l'Allemagne (2,9 Mtep produits en 2012) et la France (1,8 Mtep). En France, le taux d'incorporation global de biocarburants a atteint 6,8% de la consommation totale de carburant en 2012⁽³⁾ : 7,0% pour le biodiesel et 5,8% pour le bioéthanol.