LE BIOETHANOL ; essor d’une nouvelle filière agro ...

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CNAM - 07.06.2007JL. BARET

LE BIOETHANOL ;essor d’une nouvelle filière

agro-industrielle de productionde biocarburant

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Le Bioéthanol : Essor d’une nouvelle filièreagro-industrielle de production de biocarburant

� - Biomasse et Biocarburants- Le « totalitarisme » des énergies fossiles - Le déséquilibre des consommations énergétiques- Parts des débouchés du pétrole dans le monde- La consommation d’énergie dans l’UE- Parts et prévisions des consommations d’énergie da ns l’UE- Comparatif des contenus énergétiques et des émissi ons de CO 2- Les émissions de CO 2- Les limites des énergies fossiles- Perspectives pour la biomasse

� - Les faits marquants- L’évolution de la législation européenne « livre bla nc »- « « « livre vert »- Directive « Biocarburants » 2003-30 - Directive « Taxation de l’énergie » 2003-96- Stratégie de l’UE en faveur des Biocarburants – fév rier 2006- Directive « Qualité des carburants » 1998-70- Conseil européen mars 2007

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� - Principaux constituants de la biomasse - Typologie des biocarburants- Les filières des biocarburants- Production mondiale de biocarburants- Répartition et évolution des capacités de producti on d’éthanol- Voies de la filière bioéthanol- Comparatif des rendements potentiels en éthanol- Les bilans matières dans la production d’éthanol - Bilans énergétiques 1- « « suite- Bilans GES

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� - Les engagements de la France- Le chiffrage des engagements- Estimation des besoins agricoles (2010)- Les coûts de production de l’éthanol- Les dispositions en faveur des biocarburants en Fr ance- Ethanol ex blé- Schéma de production BCE- Vue de l’usine BCE à Provins- Les usines de bioéthanol en France- Le projet SMBE

� - Les développements- Biomasses lignocellulosiques- Transformations des biomasses lignocellulosiques ( bioraffineries)- Production d’éthanol lignocellulosique- Le programme du DOE (USA)

� - Conclusions

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Biomasse et Biocarburants• Les biocarburants sont des carburants obtenus à par tir de biomasses

• La biomasse, c’est la fraction biodégradable, des p roduits, déchets et résidus provenant de l’agriculture, de la sylviculture, des déchets industriels et municipaux

• La biomasse constitue une source d’énergie et de co mposés organiques renouvelables

1 - Photosynthèse : CO 2 + H2O �� biomasse

2a - Combustion : biomasse + O 2 �� CO2 + H2O

2b - Fermentation : biomasse �� biocarburant

biocarburant + 0 2 �� CO 2 + H2O

• Cycle naturel du carbone et bilan neutre par rappor t au CO2

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Le « totalitarisme » des énergies fossiles

• Demande mondiale d’énergies primaires ~ 9,5 Gtep. ( 1tep = 42GJ ).

• Consommation d’énergies primaires (%) dans le monde (AEI. 2003)

Pétrole 41

Gaz 21 Energies fossiles > 80 %Charbon 21

Nucléaire 7Hydraulique 3Renouvelable 1Autres (petits bois, tourbes) 6

• A plus ou moins long terme : scénario 2030

- Demande croissante 1,7 à 1,9 % par an : 15 à 16 Gt epdont pétrole 5,8 à 6 Gt/an (35 à 40 %)

- Raréfaction des énergies fossiles- Accroissement des émissions de CO 2

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Le déséquilibre des consommations énergétiques

tep / habitant / an

USA 8

Japon / France / Allemagne 4

Chine 1

Inde 0.7

Moyenne mondiale 1.7

8


Parts des débouchés du pétrole dans le monde (%)

Transports 50

Chauffage 25

Electricité 10

Pétrochimie 8

Agriculture 3

Autres 4

95 % des déplacements sont effectués à l’aide du cou ple produit pétrolier - moteur à explosion

Avantages des produits pétroliers pour les transpor ts

- Liquides

- Contenu énergétique

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La consommation d’énergie dans l’UE

• 1 132 M tep (2003)

• dont Produits pétroliers 42 %

Gaz 24 %

Electricité 20 %

Objectif UE 2020 atteindre une part de 20 % d’én ergie renouvelable

(contre 4 % en 2003)

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2000 Prévisions 2010

M tep 1077 1209

Transports 31 32

Industrie 29 28

Tertiaire 14 14

Domestique 26 26

• Pour les transports : 98 % de l’énergie vient du pét role

• Les transports représentent 67 % de la demande du pé trole tous secteurs confondus

Parts (%) et Prévisions des consommations d’énergie dans l’UE

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Réaction de combustion �� HC CO2 émis Rapport CO 2 / �� HC

MJ/kg kg CO 2/kg 10 -6 kg CO2/MJ

C + O2 �� CO2 32808 3.67 112

CH4 + 202 �� CO2 + 2H20 50009 2.75 55

H2 + ½ O2 �� H2O 120971 0 0

En 2002, les émissions de CO 2 liées à l’utilisation des énergies fossiles étaient de 14 Gt. Elles devraient atteindre 40 Gt en 2030.

Comparatif des contenus énergétiqueset des émissions de CO 2

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Etats Unis 5,91Chine 4,71Russie 1,68Japon 1,26Inde 1,11Allemagne 0,86Canada 0,59Grande Bretagne 0,58Italie 0,48Corée du Sud 0,43

France 0,41

Les émissions de CO 2 (Gt)

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Les limites des énergies fossiles

• La dépendance énergétique

- Incertitude sur les réserves mondiales de pétrolePic de production puis décroissance

- Sécurité des approvisionnements à partir de région s productricesà risques

- Augmentation des prix liés à la demande

• Les problématiques environnementales :

- les émissions des gaz à effet de serre (GES) et no tamment du CO 2�� GES : CO2, CH4, N2O, gaz fluorés.

- les pollutions

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• L’utilisation de la biomasse et des biocarburants s ’inscrit dans une démarche de développement durable

- Stratégie de maîtrise des sources d’énergie et de matières premières renouvelables

- Préservation de l’environnement

- Débouchés pour l’agriculture

- Activité économique et emplois

Perspectives pour la biomasse

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Les faits marquants

• Le premier avertissement : le choc pétrolier de 197 3

• Les premières décisions stratégiques

- le programme « pro-alcool » au Brésil 1975

- « Energy Security Act » aux USA 1980 (J. Carter)

• Le protocole de Kyoto 1997 : Engagement des paysindustrialisés signataires de réduire leurs émissio ns des 6principaux GES de 5 % sur la période 2008/2012 par rapport à 1990

• L’engagement de l’UE 2003 : Directives « Promotio n » et « Détaxation »

• « Advanced Energy Initiative » aux USA 2006 (G. Bush )

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« Livre blanc » sur les biocarburants 1997

- réduire les émissions de CO 2 (Kyoto)

- réduire la dépendance vis à vis des énergies impor tées et accroître

la sécurité des approvisionnements

�� accroître la part du marché des biocarburants

�� poursuivre les recherches pour réduire les coûts de production

�� inciter à leur développement par des allégements fis caux

et des subventions à la production

L’évolution de la législation européenne

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« Livre vert » 2000

- réduire les risques de dépendance vis à vis des im portationsénergétiques (50 % des besoins en 1999)

- satisfaire les préoccupations environnementales da ns la perspective dudéveloppement durable« L’effort devra porter sur l’orientation de la dema nde énergétiquerespectueuse des engagements de Kyoto et soucieuse de la sécurité desapprovisionnements ».

- doubler la part des énergies renouvelables à 2010 (de 6 % en 2000 à 12 %)

- augmenter la part des énergies renouvelables de 14 % à 22 % pour laproduction d’électricité

- augmenter la part des biocarburants à 7 % (en 2010 ) et 20 % pourl’ensemble des carburants de substitution en 2020

L’évolution de la législation européenne

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Promotion de l’utilisation des biocarburants et au tres carburants renouvelables dans les transports

- Fixation du taux minima de biocarburants : valeurs de références de partde marché (% base PCI)

2 % de l’énergie totale essence et gazole

destinée aux transports pour le 31/12/2005

5.75 % pour le 31/12/2010

- Réexamen prévu notamment sur 2 aspects :

- vérifier si l’objectif de 2010 pourra être atteint

- étudier la possibilité de rendre les objectifs obl igatoires

Directive « Biocarburants » 2003 - 30

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Restructuration du cadre communautaire des taxation s des produits énergétiques et de l’électricité.

- Modulation des taxes des produits énergétiques comm e instrumentpour atteindre les objectifs de Kyoto

- Flexibilité laissée aux états membres dans la mise en œuvredes mesures de réductions ou d’exemptions fiscales en faveur desbiocarburants sous certaines conditions. Ces mesure s considéréescomme des aides d’Etat doivent recevoir l’autorisat ion préalable de laCommission.

Définition de niveaux minima de taxation pour chaqu e catégorie decarburants.

Directive « Taxation de l’énergie » 2003 - 96

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3 objectifs :

- Continuer la promotion des biocarburants

- Améliorer la rentabilité avec

une optimisation des matières premières

un appui à la recherche sur les biocarburants de 2è me génération

- Explorer les possibilités pour les pays en dévelop pement de production

de matières premières pour la production de biocarb urants et pour la

production elle-même

Stratégie de l’UE en faveur des Biocarburants (février 2006)

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- Spécifications applicables à l’essence et au diesel pour des raisonsenvironnementales et sanitaire

Limite : - la teneur en éthanol, en éther et autres composés oxygénés de l’essence- la pression de vapeur de l’essence

- Ces critères techniques constituent des restrictio ns majeures à l’utilisation del’éthanol

- Proposition de révision

Directive « Qualité des carburants » 1998-70

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- Approbation du principe d’une approche intégrée cli mat et énergie

- réduire les émissions de GES- renforcer la sécurité d’approvisionnement

- Engagement ferme et unilatéral de réduction d’au m oins 20 % des GES d’ici 2020 (base 1990) en attendant un accord mondial pour l’a près 2012.

- Plan d’actions prioritaires 2007-2009 pour une nou velle politique énergétiqueeuropéenne à 2020.

- énergies renouvelables – proportion contraignante 2 0 %- biocarburants proportion minimale contraignante 10 %

Conseil européen mars 2007

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Amidon Cellulose Hémicellulose Lignine Protéines

Biomasse Amylacée

Grain de blé 60 2 6 ~ 0 11.5

Grain de maïs 62 2 4 ~ 0 10

Biomasse lignocellulosique

Tige de maïs 0 36.4 22.6 16.6 ~

Paille de blé 0 38.2 24.7 23.4 ~

Paille de riz 0 34.2 24.5 23.4 ~

Peuplier 0 49.9 20.4 18.1 ~

Principaux constituants de la biomasse

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Typologie des biocarburants

1ère génération : Etat de l’ Art

- Canne à sucre, Betterave Fermentation Bioéthanol

- Céréales (Maïs, Blé …)

- Soja, Colza, Tournesol Estérification Biodiésel

- Palme

2ème génération : R&D

- Biomasse cellulosique Fermentation Bioéthanol(Résidus agricoles et forestiers Pyrolyse Huiles, gaz , Cou cultures dédiées) Gazéification Syngaz

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LES BIOCARBURANTS

FILIERE HUILES VEGETALES

COLZA / TOURNESOL

FILIERE ETHANOL

BETTERAVE – BLE - MAÏS

EMHV EEHV ETHANOL ETBE

Esters Méthyliques

d'Huile Végétale

Esters Ethyliques

d'Huile Végétale

Ethyl Tertio Butyl Ether

Gazole

LES FILIERES

Essence

Incorporation directe dans

l’essence

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Production mondiale de biocarburants

2004 Mt Mhl

Ethanol 19 240

dont Brésil 9,9 125

USA 8,2 104

UE 0,5 6

EMHV 2,4 27,2

dont UE 1,9 21,5

dont Allemagne 1,035

France 0,348

Italie 0,320

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Répartition et Evolution des capacités de production d’éthanol

141065432UE

1010108300Chine

15,5170148129106816762USA

7167161147147126114106Brésil

��

%06050403020100

Millions hl

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Voies de la filière bioéthanol

(C6H10O5)n nC6H12O6 2C2H5OH

162 180 46

(CH3)2 C CH2 isobutène 56 (C2H5OC(CH3)3

ETBE 102

amylacées sucrières

HYDROLYSE FERMENTATION

2CO2

Sous produit raffinage

SYNTHESE

Agroressources

ESTERIFICATION « EEHV »

« BIOETHANOL »

« ETBE »

Huiles oléagineuses

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Comparatif des rendements potentiels en éthanol des principales biomasses agricoles

Rendement Teneur Potentiel Ethanol*t/ha en substrat l/t hl/ha

(% brut)Biomasse sucrière

Betterave 70 - 75 16 100 70 - 75Canne à sucre 85 - 100 15 97 82,5 - 97

Biomasse amylacée (grains)Blé 7 - 8,5 60 430 30 - 36,5Maïs 8 - 9 62 445 35,5 - 40Orge 6 - 7 58 415 25 - 29

* Potentiel théorique l/t (stoechiométrique)

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Les bilans matières dans la production d’éthanol

t Ethanol (hl) Coproduits/kg Utilisation Co-produits

- Betteraves 1 1 pulpes / 60 Alimentation animale

- Blé, maïs 1 3,55 – 3,85 drèches / 335-365 Alimentation animale

- Canne à sucre 1 0,7 bagasse / 280 Combustible

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- Méthodologie normalisée « Analyses de Cycles de Vie »

- Comparatif carburants / biocarburants

- Intégration – Production – Transformation – Distributi on

- Pour les biocarburants – Règle d’allocation énergéti que aux coproduits

•••• RE Rendement énergétique = Energie restituéeEnergie non renouvelable mobilisée

Etude Ecobilan – ADEME DIREM - 2002

•••• FER Fossil Energy Ratio = Energy delivered to customer

Fossil energy used

Argonne National Laboratory - 2005

Bilans énergétiques

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RE FER

Electricité 0.45Essence 0.873 0.81Gazole 0.917MTBE 0.760ETBE (blé) 1.02Ethanol (blé) 2.05

« 4 à 5 1

Ethanol (maïs) 1.36Ethanol (cellulosique) 10.3 2

EMHV (colza) 2.99

Projections : 1) avec cogénération, 2) « bioraffine rie »

- Dès à présent, très bon positionnement des biocarbu rants par rapport aux carburants fossiles

- Des perspectives importantes d’amélioration

Bilans énergétiques (suite)

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- Hypothèse de combustion totale

geq CO 2 / MJ geq CO 2 / kg

Essence 85.9 3 650Gazole 79.3 3 390MTBE 88.9 3 130ETBE (blé) 70.5 2 530Ethanol (blé) 34.4 922EMVH (colza) 23.7 888

Bilans GES

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Le 31 Août 2005, le Président de la République dema nde au gouvernement un« renouveau de la politique énergétique »

Reconnaissant la contribution des biocarburants :

- à la lutte contre l’effet de serre- à la réduction de notre dépendance énergétique- à la création d’emplois grâce au potentiel agricol e de la France

Le premier ministre annonce les objectifs de la Fra nce en matière d’incorporation de biocarburants.

Le gouvernement français en 2005 engageait un progr amme en faveur des biocarburants visant à placer la France au premier plan au sein de l’UE avec pour objectifs les taux d’incorporation de :

5.75 % en 20087 % en 2010

10 % en 2015

Les engagements de la France

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LE CHIFFRAGE DES ENGAGEMENTS (Mt)

2004 2007 2010 2015

TAUX Réel 0.5 % 5.75 % 7.00 % 10.00 %

ETHANOL Consommation d’Essence Incorporation d’Ethanol

11.3 0.1

10.2 0.9

8.5 0.9

8.5 1.3

BIODIESEL Consommation de Gazole Incorporation de Biodiesel

31.0 0.4

34.2 2.13

37.4 2.84

37.4 4.06

PCI Ethanol : 65 % du PCI EssencePCI Biodiesel : 92 % du PCI Gazole

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Estimation des besoins agricoles (2010)

Objectif 2010 Taux d’incorporation %Consommation d’essence Mt

Demande en éthanol MtAgroressources Céréales Betteraves Céréales Betteraves

Hypothèse de répartition % 85 15 85 15Quantité d’éthanol à produire Mt 0,782 0,138 8,67 1,53

Quantité d’agroressources correspondantes Mt 2,68 1,75 29,7 19,4

Production actuelle d'agroressources Mt 54,8 * 26,1 232* 126**Proportion destinée à l’éthanol % 4,9 6,7 12,8 15,4

Surfaces agricoles gelées MhaSurfaces agricoles nécessaires aux

productions destinées à l’éthanol Mha 0,45' 0,023 5 1 0,323Proportion relative / Surfaces gelées % 36

7

76

1.3

8,5 1150,92

France UE 25

7 5,75

10,2

* Blé tendre, blé dur, orge, maïs (2003)** France : 0,348 Mha à 75 t/ha = 26,1 Mt ; UE : 2,1 Mha à 60 t/ha = 126 Mt1) à 6 t de céréales/ha

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• Coût des matières premièresMaïs USA 90 – 160 $/tBlé Europe 100 – 150 €/t

• Prix de valorisation des coproduitsDrèches de blé, de maïs (DDGS), CO2

• Investissements

• Frais de production : énergie, personnel, produits divers.

• Coûts comparés (€ / l )

Essence (Pétrole 60 $/bbl) 0,4 – 0,45

Ethanol (Brésil) 0,2Ethanol (USA) 0,3Ethanol (UE) 0,5

Coûts de production de l’éthanol

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Le coût des biocarburants étant supérieur au coût d es carburants pétroliers,

l’ Etat français a prévu 2 mécanismes.

• L’exonération partielle de la TIPP (Taxe Intérieure sur les Produits Pétroliers) définie par la loi de finance

pour l’éthanol 33 €/hlEMHV 25

dans le cadre de « l’Agrément » donné aux producteurs de biocarburants par le Ministère de l’Economie (6 ans renouvelables).

• La TGAP (Taxe Générale sur les Activités Polluantes ) appliquée depuis le 01/01/2005.Dans le cas du non respect des taux d’incorporation définis par les pouvoirs publics, les distributeurs de carburant doivent pay er une taxe dissuasive de 1 % du prix du carburant pour 1 % de biocarburant man quant.

Les dispositions en faveur des biocarburants en France

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Ethanol ex blé Blé

Liquéfaction

Sons

Saccharification

Fermentation

Distillation Concentration

Déshydratation Séchage

Ethanol Drèches

1 2Mouture Tamisage

Liquéfaction

Saccharification

Fermentation

Distillation

Déshydratation

Ethanol

Concentration

Séchage

Drèches

40


41


42


43


LE PROJET SMBE

12 000 hl de bio-éthanol par jour

� 300 000 tonnes de bio-éthanol380 000 tonnes de drêcheà partir de 1 100 000 tonnes de blé

� Investissement de 300 millions d'euros

� 2 phases

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1ère phase

6 000 hl de bio-éthanol par jour.

LE PROJET SMBE

� 150 000 tonnes de bio-éthanol190 000 tonnes de drêcheà partir de 560 000 tonnes de blé

� 60 emplois directs� Investissement de 150 millions d'euros� Production : début 2009

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Biomasses lignocellulosiques

Biomasses forestières

- Bois et déchets des industries de la pâte à papier- Bois de chauffage- Résidus d’exploitations forestières

Biomasses agricoles

- Céréales- Oléagineux et oléoprotéagineux- Résidus des cultures- Herbacées pérennes- Taillis à courte rotation

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Biomasses lignocellulosiques (suite)

Autres biomasses

- Déchets solides municipaux- Déjections animales (fumiers, lisiers …)- Déchets des industries agro-alimentaires

Ressources potentielles (millions de t)

USA 1 366

dont 988 (agricole)368 (forestière)

UE 25 481

dont F 116

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Transformations des biomasses lignocellulosiques (Bioraffinerie)

Procédés thermochimiques

Pyrolyse

Gazéification Gaz de synthèse{CO, H2 ,CO2 …}

H2OV, H2, O2

Hémicellulose

Cellulose

Lignine

Procédés biotechnologiques

Pentoses

Hexoses

Alcools phénoliques

Biomasse

{Gaz, huile, charbon}

48


Production d’éthanol lignocellulosique

Biomasse EthanolPrétraitement Hydrolyse Fermentation

FermentationFraction C5

Traitement des Résidus

Energie

Coproduits

Acide ou Enzymes Enzymes

Distillation

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Le programme du DOE (USA)

Biomass to Biofuels workshop Dec. 2005

- Amélioration des productions de biomasse et de leu r transformation en carburants.

- Accélération des recherches sur l’éthanol cellulos ique pour obtenirun biocarburant compétitif en 2012 (1,07 $/gal) ave c le potentiel desubstituer jusqu’à 30 % de la consommation d’essenc e

Equivalent éthanol : 2,27 10 9hl ( ~ 180 106t)

Biofuel initiative

- 1,320 109 hl d’éthanol en 2017Sélection de 6 programmes industriels 2007

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DOEFinancement Fédéral 385 M$ sur 6 unités d’éthanol c ellulosique

Projet Investment M$

Location

Capacity

Million gallons/y

(hl/an)

Energy

+

Others produits

Raw

materials

t/d

Nature of RM Participants

Abengoa Bioenergy 76 11.4 700 corn stover, wheat straw ABB, Abengoa Eng

Biomass + LLC Kansas 430 000 milo stabble, switchgrass LLC, Antares, Taylor Eng

Alico Inc 33 13.9 6.2 MWe 770 yard, wood and vegetative Alico inc Bioeng Res Inc

La Belle, Florida 525 000 H2 : 8.8 * . NH3 50 * wastes + (energy cane) WGI, LLC, Emmaus

Blue Fire Ethanol 40 19 700 sorted green waste and BFE, Waste Manag. Inc

South California 720 000 wood waste from land fill JGC Corp, MECS …

Broin Companies 80 125 (25 % cellulosic) 842 corn fiber, cobs, stalks Broin, E.I du Pont

Emmetsburg, Iowa 4 730 000 Novozymes, DOE_NREL

Iogen Biorefinerys 80 18 700 wheat, barley, rice straws IBP, LLC, Iogen Corp

Partners Shelley, Idaho 680 000 corn stover, switchgrass Goldman Sachs, Shell

Range Fuels 76 40 Methanol : 9 MGal/Y 1 200 wood residues, wood RF, Merrick, PRAT

Soperton, Georgia 1 500 000 340 000 hl/an based energy crops WRI, GFC …

President Bush’s Twenty in Ten Initiative objective 2017 : 35 billions gallons Ethanol / year (1 320 Millions hl)

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Conclusions

- L’éthanol produit à partir de biomasse va jouer un rôle de plus en plusimportant en tant que carburant pour les transports routiers.

- Des technologies de production d’éthanol à partir d’agroressourcessont aujourd’hui pleinement exploitées ; il existe cependant des margesde progrès.

- Les nouvelles voies de production d’éthanol à part ir de biomasseslignocellulosiques présentent un potentiel considéra ble. Il est nécessaire defaire sauter des verrous technologiques, ce qui imp lique la mobilisation demoyens lourds de R&D.

- La filière biomasse – éthanol – biocarburant va crée r de nouvelles activitéséconomiques et industrielles s’inscrivant dans la p erspective d’ un développement durable.

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Merci pour votre attention

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