© ifp-2003 1 loffre alternative de carburants à long terme : gas to liquid, liquefaction du...

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L’offre alternative de carburants à long terme : gas to liquid, liquefaction du charbon, biocarburants,

hydrogène…

Stéphane His

Institut Français du Pétrole

Direction des Études Économiques

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• Réduire la pollution locale : CO, HC, NOx, fines particules, O3

• Réduire la pollution globale : Gaz à effet de serre (CO2,…)

• Garantir l’approvisionnement des filières énergétiques pour le transport à moyen et long terme

Dans des conditions économiques acceptables...

IntroductionPrincipaux enjeux du secteur des transports

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g/km 2000 2005MVEG

CO 2,3 1Essence HC 0,2 0,1

NOx 0,15 0,08

CO 0,64 0,5Diesel NOx 0,5 0,25

HC+NOx 0,56 0,3PM 0,05 0,025

0

5

10

15

20

25

30

1972 1976 1980 1984 1988 1992 1996 2000 2005

CO

HC+NOx

Normes VP Europe

> 70 g/km

Évolution de la réglementation antipollution européenneIntroduction

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Des résultats très importants en matière de pollution locale

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20

40

60

80

100

120

1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025

Year

CO

NOx

VOC

Benzene

PM Diesel

CO2

SO2

CO2

polluants

Emissions UE

Auto Oil 2000, EU

Année

Introduction

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Les réponses possibles

Moteurs conventionnels

•à allumage commandé et injection directe ou indirecte de carburant :moteur à essence

•à allumage par compression et injection directe de carburant : moteur diesel

Carburants conventionnels• issus du pétrole

• avec composants oxygénés et additifs

Moteurs alternatifs

•moteurs dédiés (GNV, GTL, DME,…)

•nouveaux procédés de combustion (HCCI, CAI)

•motorisation électrique (batteries ou pile à combustible)

•motorisation hybride thermique/électrique

Carburants alternatifs

•carburants reformulés (moteurs conventionnels, nouveaux procédés de combustion, reformeur )

• gazeux: GPL, GNV, DME, H2

• GTL

•bio-carburants (ethanol, methanol, ETBE, MTBE, EMHV

• Pollution locale

• Approvisionnements en énergie

• Emissions de GES

Introduction

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0,3%

1,1%

1,3%

97,3% 2,7%

Carb. conventionnel

Biocarb.

GPL

GNV

La situation aujourd’hui

1460 MTEP40 MTEP

Les carburants alternatifs d’aujourd’hui

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Brésil

États-Unis

Autres

Production mondiale d’éthanol carburant : 19 Mt

Production mondiale d’EMHV carburant : 1,6 Mt

Consommation mondiale de pétrole dans les transports : 1,5 Gt

France

Allemagne

Italie

Autres

44%

22%

17%

17%

52%43%

5%

Les biocarburants


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Les biocarburants


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• Bonne aptitude au mélange avec l’essence

- Europe : E5

- États-Unis : E10

- Brésil : E22/24

- Brésil et États-Unis : E85+

• Très bon indice d’octane : moins de risques de cliquetis

• Combustion avec un impact positif sur l’environnement (local et global) en comparaison avec la combustion de l’essence

- HC, CO : - 5% à - 10%

- Gain sur les émissions de CO2

Les biocarburants


L’éthanol

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• Accroissement des émissions par évaporation (en mélange à 5% : risque d'accroître jusqu'à 50% les HC évaporés)

- impact potentiel sur la pollution à l’ozone

• Faible contenu énergétique : 1/3 de moins que les carburants pétroliers

Inconvénients de l’éthanol

• A de faibles teneurs en éthanol et en présence de trace d’eau, risque de séparation des phases

• A de fortes teneurs en éthanol, nécessité d’adapter le véhicule- systèmes d'injection

- réglages moteurs

- compatibilité des plastiques et des joints

Les biocarburants


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Des solutions

• Incorporer l’éthanol à une essence à volatilité réduite

• Transformer l’éthanol en ETBE

L’ETBE permet de gommer les principaux inconvénients de l’éthanol en mélange :

- évaporation

- séparation des phases

Mais… disponibilité en isobutène limitée en raffinerie et bilan CO2

moins favorable

Les biocarburants


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Les biocarburants


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Avantages des EMHV

• Bonne aptitude au mélange avec le gazole

- EMHV 5 distribué de façon banalisée

- EMHV 30 utilisé sur des flottes captives

• Effet de substitution positif

- absence de soufre et de composés aromatiques

- pouvoir lubrifiant

• Impact positif de la combustion sur l’environnement (local et global) en comparaison avec la combustion de gazole

- diminution des émissions d’HC et de particules

- bilan CO2 favorable

Les biocarburants


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Coûts comparés des principales filières biocarburants

EthanolEurope

0,4-0,6 €/l 0,3 $/l 0,35-0,65 €/l

19-29 €/GJ 10,5-20 €/GJ

0,23 $/l

11 $/GJ14 $/GJ

EthanolEtats-Unis

EthanolBrésil

EMHVEurope

Ordre de grandeur de prix des carburants pétroliers

Brut à 25 $/bl

Brut à 50 $/bl 0,2 $/l ou 6$/GJ0,4 $/l ou 12$/GJ

Sources : AIE/IFP

Les biocarburants


Principale limite : le coût

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Éthanol

EMHV

Betterave

Blé

Surface(ha)

Qté produite(t)

12 000

14 400

60 000

36 000

Oléagineux 280 000 357 000

Aujourd’hui 2010 (5,75%)

Éthanol

EMHV

Betterave

Blé

Surface(ha)

Qté produite(t)

53 600

270 000

300 000

700 000

1 900 000 2 400 000Oléagineux?Exemple en France

Les biocarburants


Principale limite : la compétition avec l’alimentaire

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Principale limite des volumes importants de co-produits à valoriser

Ordre de grandeur des volumes de co-produits générés par filières :

Éthanol

0,75 t. de pulpes/t. d’éthanol ex-betterave

1,2 t. de drèches/t. d ’éthanol ex-blé

EMHV

1 à 1,5 t. de tourteaux/t. d’EMHV

0,1 t. de glycérine/t. d’EMHV

Alimentation animale


Marché de valorisation des co-produits

Alimentation,

cosmétique, etc.


Les biocarburants


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Les carburants alternatifs d’aujourd’hui Les carburants gazeux

Avantages :

• Diversification de l’offre carburant dans le secteur des transports

• Gain environnemental par rapport aux solutions conventionnelles (positif ou nul sur les aspects pollutions locales et positif d’un point de vue effet de serre ~ 10% pour le GPL et 25 à 30% pour le GNV)

Inconvénients :

• Nécessité du développement d’une infrastructure de distribution et d’une adaptation des véhicules

• Ressources fossiles limitées

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Les carburants alternatifs de demainLes biocarburants

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•• Les BTL sont :

–– des gazoles à haut indice de cétane : ~ 70

–– des gazoles sans aromatique

–– des gazoles sans soufre

•• Ils peuvent être utilisés purs ou en mélange dans les gazoles actuels

•• Ils permettent de réduire significativement les émissions, notamment de particules

• Ils offrent un fort potentiel d’optimisation du couple moteur/gazolepour atteindre de très bas niveaux de rejets de CO2

Les propriétés des produits


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• Coûts de production

Aujourd’hui Après-demain

0,36 $/l 0,19 $/l

Demain

0,29 $/l14 $/GJ17 $/GJ

Ethanol ex lignocellulose

BtL

9 $/GJ

0,8 $/l21 $/GJ

Principales caractéristiques des nouvelles filières

• Pas de co-produits

• Un potentiel en ressource très difficile à estimer : 1 à 10 Gtep/an à l’horizon 2050/2100 ????

Sources : AIE/IFP

0,4-0,5 $/l11-14 $/GJ


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Le GTL

Préparation du gaz de synthèse

Synthèse Fischer -Tropsch

Hydrocraquage

H2O, O2

CO + 2H2 -CH2-

• Essence

• Kérosène

• Gazole

GN

Les carburants alternatifs de demainLes carburants de synthèse

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Le CTL

Préparation du gaz de synthèse

Synthèse Fischer -Tropsch

Hydrocraquage

H2O, O2

CO + 2H2 -CH2-

• Essence

• Kérosène

• Gazole

Charbon

Preparation du mélange

Hydrogénation Traitement et raffinage

Charbon solubilisé

H2

Voie directe-CH2-

Voie indirecte


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• Coûts de production

Investissement

$/bl/j

Prix des produits

$/bl

16 à 26 GTL

CTL

Éléments économiques sur les filières GTL et CTL

• Rendement énergétique faible (50% à 60%)

• Importantes émissions de CO2 : capture et stockage du CO2 ?

20 à 30 000

45 à 60 000 ~ 40

Pour un gaz de 0,5 à 1 $/mmbtu


•Produits issus de Biomasse

ELE

CT

RIQ

UE

TH

ER

MIQ

UE

TURBINES

PAR CRAQUAGETHERMOCHIMIQUE

ME

CA

NIQ

UE

PAR REFORMAGE•Combustibles Fossiles

HYDROGENE Liquéfié Sous pression Hydrures Carbones Microbilles …

EA

UH

YD

RO

CA

RB

ON

ES

DE

CO

MP

OS

ITIO

N FO

RM

E D

’EN

ER

GIE

STOCKAGE/DISTRIBUTIONPRODUCTION CONVERSION/UTILISATION

Charbon Pétrole Gaz naturel

Alcools Biogaz (CH4, H2, CO,)

PAR ELECTROLYSE Alcaline Haute pression Haute température Electrolyte polymère

solide Photoélectrochimique

PHOTOBIOLOGIQUE

COMBUSTIONELECTROCHIMIE

CHAUDIERES

MOTEURS

FUEL CELLS PEMFC SOFC

L’hydrogèneLes carburants alternatifs de demain

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La nécessité d’une approche globale pour aborder correctement la problématique « effet de serre »

La démarche du « puits à la roue » prend en compte l’ensemble des étapes du cycle de

production des carburants de l’extraction des matières premières à l’utilisation du carburant

dans l’automobile

Les carburants alternatifs de demain

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MCI+GTL

MCI Hybride+GTL

MCI+DME

MCI Hybride +DME

MCI+BTLMCI Hybride+BTL

MCI Hybride+GN

MCI+Ethanol

MCI Hybride+EthanolMCI+Diester

MCI Hybride+Diester

MCI+GN

Gr

CO

2 éq

./km

L éq. essence/100 kmSource : JRC/EUCAR/CONCAWE, Janvier 2004

0

50

100

150

200

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

MCI+EssenceMCI+Gazole

MCI hybride+essence

MCI Hybride+gazole

PAC+H2 liquéfié ex électricité EU-mix

PAC+H2 comprimé ex-électricité EU-mix

PAC+H2 comprimé ex-charbon centralisé

PAC reformeur+essence

PAC+H2 liquéfié ex GN centralisé

PAC+H2 comprimé ex GN sur site

PAC+H2 comprimé ex GN

centralisé

PAC+H2 comprimé ex-électricité Nuc.

PAC+H2 comprimée ex bois

PAC+H2 comprimé ex-électricité éolien

Bilan comparatif du « puit à la roue »Les carburants alternatifs de demain

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3

0

20

40

60

GN Charbon Biomasse ElectricitéSuède

ElectricitéFrance

ElectricitéItalie

Distribution

Transport par pipe

Stockage

Production d'H2

Coût de la filière hydrogène : la filière hydrogène comprimé ($/GJ)


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$/k

g d

’H2

Source : Dynetek

0

1000

2000

3000

4000

5000

H2 L H2 @ 350 bars H2 @ 700 bars HM

Avec des hypothèses de production de masse, le DOE annonce des valeurs comprises entre 200 et 500 $/kg d’H2.

L’objectif est d’arrivé à 66 $/kg en 2015.

Les carburants alternatifs de demainL’hydrogène

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Source : Directed Technologies

?


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Évolution de la demande mondiale de platine avec une réduction à 0,2 g/kw (/5 à 10 par rapport à aujourd’hui) du contenu en platine des PAC

Source : TIAX, Décembre 2003

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Les optimistes : Chevrontexaco

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Les optimistes : Chevrontexaco

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Les pessimistes :Exxonmobil

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Quel avenir énergétique dans les transports ?

Moyen terme : carburant liquide et hybridation des véhicules

• brut conventionnel/non-conventionnels

• biocarburants (EMHV, Éthanol, BtL)

• GTL/CTL

Long terme :

• H2/électricité

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MCI : 45 170 215 H2+PAC+Moteur : 60 273 343

Batterie avancée + Moteur : 383 73 456

Masse kg

Comparaison pour un véhicule de 75 kw d’une autonomie de 600 km

Quel avenir énergétique dans les transports ?

Source IFP & EUCAR/JRC/CONCAWE 2004

Stockage d’énergie

Convertisseur Total

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3-

5 000

10 000

15 000

20 000

Amérique duNord

Europe del'ouest

Japon Reste du monde Total

51%

35%

8%

AmmoniaqueRaffinageMéthanolAutres

Production

Captive

PipelineEn bouteille/liquide

Production

Marchande

109 SCF 20’000 G.SCF = 535 G.Nm3 = 48 M.tH2 = 138 M.TEP

L’industrie existanteProduction

Production H2

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3

0

10

20

30

40

50

60

70

0 5 10 15 20 25

Prix de l'énergie ($/GJ)

Co

ut

de

l'hyd

rog

ène

($/G

J)

GN

GN + sequestration CO2

Charbon

Charbon+ sequestration CO2

Biomasse

ElectricitéElectricité Suède*

Electricité France*

Electricité Italie*Charbon US

NG UE

* Prix de l’électricité constaté en juillet 2002

Les coûts de production de l’H2

L’industrie existante

Économie

Charges GN Charbon Biomasse ElectricitéProduction €/GJ 6 13 18 16-31$ / t 726 1573 2178 1936-3751

Essence 8 euro/GJ

Production

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PEMFC

AFC

PAFC

MCFC

SOFC

DMFC

Électrolyte

Membrane polymère

Solutions de KOH

Acide phosphorique

Carbonate fondu

Oxydes solides

Membrane polymère

T (°C)

80-90

80-90

180-210

600-700

800-1000

80-90

Rdt (%)

30-50

55-60

36-45

50-60

50-70

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Reformage

Ext.

Ext.

Ext.

Ext./int.

Ext./int.

Int.

États de développement

Proto. auto et indus.

Appli. espace & auto

Pré-commerciale

Proto. indus.

Test indus. et labo

Recherche

Les piles à combustiblesLes nouveaux challenges

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Les piles à combustiblesPile PEMFC alimentée en H2 : description du fonctionnement

Les nouveaux challenges

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Molécule très énergétique: 120 MJ/kg contre 50 MJ/kg pour CH4

toutefois énergie volumique 3.5 fois plus faible

Densité volumétrique de plusieurs carburants

Stockage/distribution : arriver à stocker à un moindre coût l’hydrogène


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Molécule très énergétique: 120 MJ/kg contre 50 MJ/kg pour CH4

toutefois énergie volumique 3.5 fois plus faible

Stockage/distribution : arriver à stocker à un moindre coût l’hydrogène


Solide Liquide Gazeux

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Principales opérations de démonstration « stations services » dans le monde : États-Unis

Arriver à bâtir une infrastructure


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Principales opérations de démonstration « stations services » dans le monde : le Japon

Arriver à bâtir une infrastructure


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Principales opérations de démonstration « stations services » dans le monde : Europe (projet CUTE)

Arriver à bâtir une infrastructureLes nouveaux challenges

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Documents