ACV comparative de biocarburants : une orientation pour la
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ACV comparative de biocarburants : une orientation pour la
Congrès International sur l’Analyse du Cycle de Vie Lille, Novembre 2011 ACV comparative de biocarburants : une orientation pour la recherche de procédés plus écologiques Cédric His***, Rénato Froidevaux*, Pascal Dhulster*, Benjamin Hanoune**, Muriel Bigan*, Michel Millares*** * Laboratoire ProBioGEM, Université technique et scientifique de Lille 1, Boulevard Paul Langevin C Cité scientifique, 59655 Villeneuve d’Ascq ** PC2A, Cité scientifique - Bâtiment C11, 59655 Villeneuve d’Ascq *** GECCO, 84 rue d’Artois BP 61061, 59011 Lille [email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected] Section du CNU de rattachement: 62/64 Ce poster a pour objectif de présenter un comparatif d’analyse de cycle de vie (ACV) entre deux procédés existants de fabrication de biocarburants à partir d’huiles alimentaires usagées (HAU) et un troisième en cours d’élaboration. Le premier procédé est un traitement de l’HAU avec du méthanol pour en faire de l’ester méthylique d’huiles alimentaires usagées (EMHAU). Le deuxième procédé est une utilisation directe de l’HAU en tant que carburant. Le dernier procédé est un traitement de l’huile par voie biologique. 1) Procédé chimique de transestérification utilisant le méthanol Pour ce premier procédé, les informations sont tirées de l’étude réalisée par l’ADEME 1 sur les biocarburants de première génération . Certaines hypothèses de travail seront conservées pour le reste de l’étude. L’unité fonctionnelle utilisée est ici « permettre le déplacement d’un véhicule sur 1 km » qui est ensuite ramenée au « Mégajoule (MJ) de carburant consommée » afin de faciliter les comparaisons. Cette unité sera aussi utilisée pour les autres parties. Dans le scénario décrit, l’huile est collectée (étape de transport), puis elle subit un dégrillage (élimination des particules de tailles supérieur à 1-1,5 mm) et une décantation. Avant le procédé de transestérification, l’huile subit une pré-estérification acide afin d’éviter les phénomènes de saponification. Une catalyse homogène à l’hydroxyde de potassium est ensuite réalisée et suivie par un lavage à l’eau durant lequel le produit est récupéré ainsi que certains coproduits tels que du sulfate de potassium. Enfin la dernière étape de ce scénario est l’étape d’utilisation du biocarburant dans un véhicule classique Euro 4. L’HAU étant un déchet il n’est pas tenu compte de l’impact environnemental de l’huile vierge dont il est issu ; il n’y a donc pas d’imputation liée à la production de l’huile vierge ou à son utilisation. Au niveau des impacts environnementaux, cinq sont pris en compte dans l’étude : la consommation d’énergie non renouvelable (EnR), les émissions de gaz à effet de serre (GES), le potentiel de toxicité humaine, le potentiel d’eutrophisation et le potentiel d’oxydation photochimique. En ce qui concerne la consommation d’énergie non renouvelable, la consommation est 90 % moins importante que pour les filières fossiles (0,236 MJ/MJ de carburant pour la filière ester méthylique contre 1,25MJ/MJ de carburant pour la filière fossile). Le fait que l’étape de « production » du déchet ne soit pas comptabilisée dans le système impacte pour beaucoup sur ce résultat. L’étape du procédé la plus pénalisante est l’étape industrielle de transformation à cause de l’utilisation du méthanol, des nombreux prétraitements de l’huile et des lavages pour récupérer les coproduits. Le même schéma est retrouvé en ce qui concerne les émissions de CO 2 avec un indice en faveur du biocarburant -3 -2 (8,7.10 kg CO2eq/MJ de carburant) soit 90 % d’amélioration par rapport à la filière fossile (9,14.10 kg CO2eq/MJ de carburant), la cause principale des émissions étant due à l’étape industrielle de transformation. Pour la toxicité humaine, le gain est très important puisque l’on passe d’une valeur de -1 4,12.10 kg éq. de 1,4-DCB (di chlorobenzène)/MJ de carburant à -6,78 kg éq. de 1,4-DCB/MJ de carburant soit un gain de -100 % et ceci malgré l’utilisation de méthanol. Pour le potentiel d’eutrophisation des sols, les deux valeurs restent identiques entre les deux types de carburant (de -5 2l’ordre de 10 kg éq. de PO4 /MJ de carburant). La dernière valeur en faveur des EMHAU concerne le -5 potentiel d’oxydation photochimique puisque la valeur observée de 1,12.10 kg éq. de C2H4/MJ de carburant pour la filière fossile de référence passe à 4,96. kg éq. de C2H4/MJ de carburant pour la filière EMHAU étudiée. Bien que ces valeurs soient encourageantes pour la filière EMHAU, des problèmes se posent encore. Tout d’abord l’utilisation du méthanol, composé dont la toxicité est très forte. Le deuxième problème vient du nombre de prétraitements réalisés sur l’huile alimentaire usagée servant de matière première. Congrès International sur l’Analyse du Cycle de Vie Lille, Novembre 2011 2) Utilisation de l’HAU sans transformation L’entreprise Gecco collecte les HAU dans les régions Nord-Pas-de-Calais et Picardie. Dans le cadre d’une étude sur l’utilisation d’HAU directement comme carburant, une analyse sur les polluants émis par la carburation d’une voiture diesel a été réalisée avec le laboratoire PC2A de Lille. Il en découle une ACV réalisée avec le logiciel Gabi 4.0 sur cette utilisation dont voici les explications et résultats. Toutes les étapes ont été prises en compte de la collecte des HAU à la carburation. Comme dans l’étude de l’ADEME, les HAU sont considérées comme des déchets et donc n’impactent pas sur l’environnement par une étape de fabrication. Les étapes prises en compte ici sont la collecte, la filtration incluant aussi une période de décantation ainsi que le lavage des bidons nécessaires à la collecte de ces huiles, la centrifugation qui est effectuée grâce à une centrifugeuse ALFA LAVAL dont la vitesse de rotation est de 7000 tr/min et enfin l’utilisation de l’huile ainsi traitée. La fabrication des contenants tels que les cuves de 1000 litres servant à stocker les HAU et des machines et équipements entrant dans le process ne sont pas pris en compte conformément au référentiel. Dans cette ACV, le scénario considère que chaque collecte, faite avec un véhicule léger de 3,5 tonnes, est réalisée pour au minimum collecter 600 kg d’huiles. Les déchets organiques issus du traitement des HAU sont envoyés en incinérateur bien que le but final de l’entreprise soit de les méthaniser. Deux types d’incinérateur proposé dans le logiciel ont été testés : « l’incinérateur municipal » et « les déchets commerciaux envoyés dans un incinérateur municipal ». Par défaut, les valeurs d’impact pour ces deux scénarios étant similaires, « l’incinérateur municipal » a été conservé car légèrement plus impactant. Les cinq mêmes impacts ont été calculés avec la méthode CML 2001 utilisée dans l’étude de l’ADEME et comparés aux résultats de cette même étude. La consommation d’énergie non -2 renouvelable est de 3,7.10 MJ/ MJ de carburant consommé. La valeur de la consommation en carburant (facteur de conversion pour passer d’une unité par km à une unité par MJ) utilisée est la même que pour les huiles végétales pures employées comme carburants. La consommation en énergie renouvelable est donc meilleure que pour les EMHAU. Ce constat est le même en ce qui -5 concerne le potentiel d’oxydation photochimique (3,5.10 kg éq. de C2H4/MJ de carburant) et pour la -3 toxicité humaine (1,9.10 kg éq. de DCB/ MJ de carburant). Pour le potentiel d’eutrophisation, la -5 3valeur est similaire aux EMHAU (7,9.10 kg éq. de PO4 /MJ de carburant). Seules les émissions de -2 gaz à effet de serre sont légèrement moins bonnes (1,55.10 de CO2eq/MJ de carburant). Tous ces résultats sont à améliorer. En effet, certains facteurs comme le type de station d’épuration utilisé pour les eaux usées, les allocations à attribuer à la part d’huile réellement utilisée pour la fabrication lors de la collecte, des résultats sur les tests moteurs plus fins seraient intéressants. De plus, certains paramètres mécaniques n’ont pas été pris en compte dans cette étude. Par exemple, l’utilisation d’huile sans transformation dans le moteur est assez aisé sur les moteurs diesel d’ancienne génération mais est plus délicat sur les moteurs à rampe d’injection commune et nécessite parfois des adaptations sur les moteurs. De plus, il serait nécessaire d’évaluer l’impact potentiel de ces modifications sur la durée de vie du moteur. 3) Procédé biologique de traitement des HAU Gecco, ProBioGEM et le PC2A travaillent actuellement sur la mise au point d’un procédé de traitement innovant pour transformer ces déchets en biocarburant. Ce procédé devra répondre à des contraintes écologiques et une ACV poussée sera réalisée pour répondre à ces contraintes. Beaucoup de données sont actuellement manquantes pour traiter ce procédé en ACV de manière complète et cohérente. Une première approche en introduisant un produit A dans l’ACV précédemment réalisée pour l’utilisation directe de l’HAU permet de voir que la consommation en EnR serait multipliée par quatre et que la valeur des autres paramètres serait quant à elle multipliée par deux ou trois. L’ACV permettra d’évaluer l’impact des substances utilisées et des conditions opératoires et sera ainsi utilisée en tant qu’outil de mise au point du procédé pour atteindre le meilleur compromis entre performance du carburant et impact environnemental. Référence [1] Analyses de Cycle de Vie appliquées aux biocarburants de première génération consommés en France, rapport final, février 2010 Congrès International sur l’Analyse du Cycle de Vie Lille, Novembre 2011 700 600 500 400 Flax shives Miscanthus Cereal straw 300 Triticale, whole plant Linseed straw 200 100 0 Abiotic depletion Acidification Eutrophication Global warming Ozone layer (GWP100) depletion (ODP) Terrestrial ecotoxicity Photochemical Energy oxidation consumption -100 Figure 1 : Potential impact comparison of studied biomass sources (baseline 100, flax shives as a reference). Biomasse sources Triticale as whole plant Miscanthus Cereal straws Flax shives Linseed straw Net energy yield (MWhproduced/ MWhconsumed) 8.5 12.8 15.7 25.6 26.5 Table 1 : Energy yields of studied biomasses, expressed as the ratio of the energy produced by the boiler (MWhp) to the renewable and non-renewable energy consumed during the production and logistics steps (MWhc). As a conclusion, flax shives were the least impacting feedstock supply, and linseed straw was the alternative with the least environmental impacts. If global warming is considered as the most important impact to mitigate, miscanthus appears as an interesting supply. Eventually, this study shows the relevance of integrating local data in agricultural LCA, especially to accounting for soil carbon sequestration and the logistic phase. Bibliography 1. ADEME, Analyses de Cycle de Vie appliquées aux biocarburants de première génération consommés en France. Rapport final de l’étude réalisée pour le compte de l’ADEME, du MEEDD et du MAAP et de FranceAgriMer par Bio Intelligence Service, 2010. p. 236. 2. Berthoud, A., et al., Assessing freshwater ecotoxicity of agricultural products in life cycle assessment (LCA): a case study of wheat using French agricultural practices databases and USEtox model. The International Journal of Life Cycle Assessment, 2011. 16(8): p. 841-847. 3. Birkved, M. and M.Z. Hauschild, PestLCI--A model for estimating field emissions of pesticides in agricultural LCA. Ecological Modelling, 2006. 198(3-4): p. 433-451. 4. IPCC, IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories. Agriculture, Forestery and Other Land Use, 2006. 5. Saffih-Hdadi, K. and B. Mary, Modeling consequences of straw residues export on soil organic carbon. Soil Biology and Biochemistry, 2008. 40(3): p. 594-607. 6. Silalertruksa, T. and S.H. Gheewala, Environmental sustainability assessment of bio-ethanol production in Thailand. Energy, 2009. 34(11): p. 1933-1946.