Carburants de substitution

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Les carburants non conventionnels ou de substitution.

Mots clés : carburants alternatifs, combustibles, alternative, pétrole, pollution, dépollution, environnement

GNc (Gaz naturel-carburant)

L’utilisation de GNc à l’état gazeux et comprimé sous 200 bars est une solution technologique déjà éprouvée puisque plus de 500 000 véhicules sont concernés dans le monde. Sur des moteurs dédiés et optimisés, le GNc procure des avantages notables qui compensent un approvisionnement énergétique plus coûteux. L’agrément de conduite, les performances d’accélération, de reprise, la vitesse maximale sont très satisfaisantes.

Le rendement énergétique dépasse d’environ 10 % celui des moteurs à essence (à l’exception des moteurs essence à mélange pauvre comme ceux proposés récemment par des constructeurs japonais), mais n’atteint pas celui d’un moteur diesel à injection directe. Les émissions des moteurs au GNc sont constituées presque exclusivement de méthane, donc de faible toxicité.

Le méthane est cependant un gaz à effet de serre important. Mais, si l’on considère les émissions de gaz à effet de serre sur toute la chaîne d’utilisation, le GNc apporte des gains de l’ordre de 20 à 25 % par rapport à la filière essence et de 10 à
15 % par rapport au gazole.

Le principal handicap du GNc concerne le stockage très pénalisant sur le plan du poids et de l’encombrement. Des matériaux nouveaux comme les composites de résines et les fibres de verre ou de carbone actuellement à l’étude, devraient permettre de diviser par quatre le poids du réservoir à capacité constante.

Le GNc apparaît donc comme un carburant de substitution dont la pénétration est certaine sans que l’on puisse actuellement évaluer son ampleur. Elle devrait se concrétiser d’abord dans les utilisations urbaines (autobus notamment) où la pollution est préoccupante.

Méthanol

De nombreuses études ont été réalisées dans les années 1970 sur la mise au point de carburants renfermant de 85 à 100 % de méthanol, désignés par les sigles M85, M90 ou M100 selon leur composition.

Actuellement, ce thème a perdu beaucoup de son intérêt. Le méthanol est en effet intrinsèquement toxique et il n’apporte que très peu d’avantages en matière de pollution atmosphérique. En particulier, les risques de formation d’ozone troposphérique ne sont guère modifiés pour des véhicules adoptant du M85 ou du M100.
Le méthanol se maintient de manière indirecte sur le marché des carburants comme intervenant de base dans la synthèse du MTBE. Cet éther est un excellent constituant des essences, très recherché pour son indice d’octane élevé, sa parfaite compatibilité avec les hydrocarbures et les
avantages qu’il peut procurer pour réduire la pollution atmosphérique.

Aujourd’hui, des concentrations de MTBE de 5 à 10 % sont très fréquentes dans les essences. Cependant, se posent des problèmes liés à la faible biodégradabilité du MTBE.

Biocarburants : l’ethanol

L’éthanol est potentiellement un carburant de bonne qualité susceptible d’alimenter des moteurs de type allumage commandé. Il peut être utilisé pur ou mélangé en faible proportion (jusqu’à 20 %) dans une essence classique. Dans le premier cas, le moteur doit être adapté à cet usage spécifique ( modification du système d’alimentation et taux de compression plus élevé) ; dans le
second cas, le mélange éthanol-essence est complètement banalisé et interchangeable dans le réseau de distribution avec des produits d’origine strictement pétrolière.

Pourtant, même le Brésil qui s’était engagé dans une politique volontariste en faveur de la filière éthanol-carburant, revoit sa stratégie. Les raisons de ce retournement au Brésil et du lent décollage économique dans le reste du monde, tiennent à quelques obstacles techniques qui, sans être rédhibitoires, provoquent des réticences des industries pétrolières et automobiles.

Les mélanges éthanol-essence sont moins stables en présence d’eau, plus volatils et parfois plus corrosifs que les produits d’origine exclusivement pétrolière.

C’est pourquoi, à l’instar du méthanol, la filière éthanol-carburant s’oriente préférentiellement vers la production d’ETBE à partir d’éthanol et d’isobutène.

La réglementation européenne fixe une teneur maximale de 15 % (volume) d’ETBE dans les essences, soit environ 7 % (poids)
d’éthanol. Ce cadre législatif laisse donc une place suffisante pour la pénétration d’éthanol à des taux significatifs sur le marché des carburants.

Dérivés d’huiles végétales

Bien que les moteurs diesel puissent fonctionner avec des huiles végétales brutes, cette voie n’apparaît pas réaliste pour des véhicules devenus très performants. En revanche, la transformation des huiles végétales en esters méthyliques offre des avantages considérables sur le plan technique.

Les esters méthyliques d’huiles végétales ont des propriétés physico-chimiques proches de celles du gazole dans lequel il est parfaitement miscible. Les types d’oléagineux concernés sont essentiellement le colza et le tournesol. Les données agronomiques sont les suivantes : il est
possible d’obtenir 30 à 35 quintaux/an de graines de colza par hectare, soit de 1,2 à 1,4 tonnes d’esters méthyliques par hectare et par an.

Sur le plan réglementaire, un décret autorise, en France, la distribution banalisée de l’ester méthylique de colza jusqu’à 5 % en mélange dans le gazole.

En définitive, les bilans énergétiques des filières de production des biocarburants sont favorables. Le rapport entre l’énergie contenue dans le biocarburant et celle qui a été nécessaire pour le produire, est toujours supérieur à 1. Mais, d’un point de vue économique, avec les coûts actuels d’accès au pétrole brut et sans incitation fiscale, les biocarburants ne sont pas compétitifs.

Enfin, les conclusions des études concernant l’apport des biocarburants en terme d’impact sur la pollution atmosphérique sont très nuancées. Selon le type de polluant considéré, les carburants
d’origine végétale pourront se montrer tantôt légèrement bénéfiques, tantôt légèrement défavorables. À l’exception de la protection contre l’effet de serre pour laquelle l’emploi des biocarburants apporte à coup sûr une amélioration notable.

Carburants de synthèse

Les carburants de synthèse sont des essences et des gazoles traditionnels, mais issus d’autres matières premières que le pétrole, essentiellement le charbon et le gaz naturel.

Les procédés correspondants font appel à des technologies lourdes et coûteuses. Ils consistent à produire, dans une étape intermédiaire, du gaz de synthèse (CO et H2), à partir duquel, deux voies sont possibles : l’obtention directe d’hydrocarbures selon la technique Fischer-Tropsch ou le passage par le méthanol qui sera ensuite transformé en essence.

Le rendement de ces filières est un handicap majeur : entre 35 et 55 % pour le procédé Fischer-Tropsch d’essences selon les caractéristiques de la matière première et les exigences de qualité des produits finis ; entre 60 et 65 % pour la filière essence synthétique via le méthanol développée en 1986 par la société Mobil en Nouvelle-Zélande. Ces faibles rendements vont de pair avec des émissions importantes de CO2.

Par conséquent, la production significative de carburants de synthèse est conditionnée par un prix élevé du pétrole (au moins 30 $­­/bbl) et par une forte demande en produits très peu polluants.

Hydrogène

A moyen terme, il s’agit pour l’hydrogène de bien gérer une pénurie annoncée. Les unités de raffinage fortement consommatrices (hydrodésulfurations, hydrotraitements et hydroconversions)
vont se multiplier pour améliorer la qualité des produits pétroliers et pour s’adapter à la demande toujours plus orientée vers les produits légers.

En dehors du reformage qui atteindra rapidement ses limites, la production d’hydrogène peut être envisagée par vaporéformage de méthane, par oxyvapogazéification de résidus ou par électrolyse. Les deux premières voies conduisent à des autoconsommations et à des émissions de CO2 importantes. La voie de l’électrolyse nécessiterait une relance des investissements dans le nucléaire et l’acceptation par le grand public de cette
technologie et de ses risques.

Si l’on se soustrait arbitrairement à ces questions de disponibilités de la matière première, l’utilisation de l’hydrogène comme carburant automobile se heurte encore à de grandes difficultés : le stockage à bord du véhicule est un véritable goulot d’étranglement technologique.

Si l’on suppose, de surcroît, que le stockage à bord des véhicules est techniquement résolu et que les conditions élémentaires de sécurité sont réunies, deux possibilités sont alors envisageables : l’hydrogène peut d’abord être utilisé, pur ou en mélange avec du GNc, dans des moteurs spécialement conçus pour ce type de carburants. Les rendements du moteur sont alors limités par les lois de la thermodynamique et les émissions de NOx sont inévitables. En deuxième lieu, l’hydrogène peut être consommé dans des piles à combustible.
Mais des problèmes de développement technologique apparaissent alors. Les électrodes sont en métaux précieux (platine et palladium) et la puissance volumique est faible. Malgré les engagements récents de
grands industriels pour développer des véhicules à piles à combustibles, cette voie ne semble pas, face à la concurrence de convertisseurs plus conventionnels mais à pollution quasi-nulle promise à un grand avenir.

Des tensions sont prévisibles sur le marché de l’hydrogène et la voie carburant reste très prospective. Il est certain que l’utilisation de l’hydrogène pour améliorer les qualités des carburants traditionnels restera longtemps encore la voie la plus efficace techniquement et économiquement.

Par conséquent, la pile à combustible et le moteur thermique à hydrogène ne semblent pas susceptibles de déboucher à moyen terme.

En savoir plus:
Forum produits pétroliers et énergies fossiles
Les carburants et combustibles pétroliers
Equation de combustion et CO2
Carburants pétroliers conventionnels

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