Le développement des biocarburants en Europe : analyse

Une analyse du développement des biocarburants en Europe à partir des modélisations
du secteur agricole, de production des biocarburants et du raffinage.
Frédéric Lantz (IFPEN), Pierre-Alain Jayet, Coline Assaiante, Gabrielle Després, Nosra Ben
Fradj, Ancuta Isbasoiu (INRA), Laure Patouillard (Polytechnique Montréal), Melissa Clodic
(OilTec)
Introduction
Le développement des biocarburants s'inscrit dans une demande croissante d'énergie primaire
au niveau mondial. Les énergies renouvelables contribuent à la diversification des
approvisionnements et à la réduction de la part des énergies fossiles qui assurent la plus
grande part de l'offre énergétique. Le développement des formes modernes d'utilisation des
énergies renouvelables est récent et répond aux enjeux associés à l'augmentation des besoins
énergétiques et aux défis environnementaux. Les biocarburants répondent ainsi aux besoins
énergétiques du secteur des transports. Ils peuvent également contribuer à réduire les
émissions de gaz à effet de serre, même si les effets indirects sur le changement d’usage des
sols atténuent cette réduction.
Nous analysons ici le développement potentiel des biocarburants en Europe au travers d'une
approche modélisée en étudiant les interactions entre le secteur du raffinage et le secteur de
production des biocarburants.
Nous présentons dans la première section une analyse du développement des biocarburants
dans l'approvisionnement énergétique en nous intéressant plus particulièrement aux tendances
au niveau européen. La deuxième section est consacrée à la présentation des modélisations
qui sont mises en œuvre. Les résultats empiriques sont résumés et discutés dans la troisième
section. Les principaux éléments concernant l'analyse économique des biocarburants sont
synthétisés dans la conclusion.
1. Les biocarburants dans la transition énergétique
Les énergies renouvelables représentent environ 8% de la consommation mondiale d'énergie
primaire (BP, 2012). Les principales ressources utilisées sont la biomasse traditionnelle et la
production d'électricité d'origine hydraulique. Dans le scénario tendanciel « New Policies » de
l'Agence Internationale de l'Énergie, les biocarburants couvriraient 8% des besoins en
carburant pour les transports routiers (passagers et marchandises).
Depuis plusieurs décennies, la consommation de produits pétroliers du secteur des transports
s'est fortement accrue. Elle représente désormais plus de 61% de la consommation finale de
pétrole au niveau mondial. En Europe, les produits pétroliers couvrent l'essentiel de la
consommation d'énergie finale des transports avec une consommation de gazole, en hausse,
qui atteint 200 millions de tonne (Mt) en 2013 tandis que la consommation d'essence, en
baisse, représente 79,8 Mt pour cette même année. La tendance est encore plus marquée à
l’échelle nationale, avec 34 Mt de gazole et 7 Mt d'essence consommés en France. La
progression globale de cette demande de carburant s'explique par les activités croissantes du
secteur des transports et par les faibles substitutions qu'a pu connaître ce secteur malgré les
hausses successives du prix du pétrole.
L'Union Européenne affiche dès 2007 une inflexion de la politique énergétique par
l'intermédiaire de sa "politique intégrée en matière de climat et d’énergie ". Elle se décline
autour de trois objectifs : (i) accroître la sécurité de l’approvisionnement énergétique, (ii)
assurer la compétitivité des économies européennes et la disponibilité d’une énergie
abordable, (iii) promouvoir la viabilité environnementale et lutter contre le changement
climatique. Ainsi, L’ « initiative 20-20-20 » traduit trois engagements importants d’ici 2020,
réduction de 20% ses émissions de gaz à effet de serre par rapport à 1990, accroissement de
20% la part des énergies renouvelables dans la consommation énergétique, accroissement de
l’efficacité énergétique afin d’économiser 20% de sa consommation énergétique.
La directive "Énergies renouvelables" de 2009 fixe des objectifs contraignants sur l'utilisation
des énergies renouvelables dans la consommation d'énergie finale et prévoit également
l'utilisation d'au moins 10% d'énergie renouvelable dans le seul secteur des transports. Pour
atteindre ses objectifs de développement des énergies renouvelables, l'Union Européenne
autorise les États membres à recourir à différents instruments (tarifs d’achat, certificats verts,
appels d’offre et incitations fiscales).
La biomasse a de nombreux usages énergétiques, le premier étant un usage traditionnel qui est
estimé à 751 millions de tonnes équivalent pétrole (tep) en 2010 (AIE, 2012) soit 5,8% de la
consommation mondiale d'énergie primaire. Comme cela a été évoqué, la production de
biocarburant permet de répondre aux besoins croissants d'énergie du secteur des transports qui
repose, pour l'essentiel, sur les produits pétroliers. On distingue plusieurs générations de
biocarburant, la première reposant sur des productions agricoles qui peuvent être en
concurrence avec des usages alimentaires, la seconde qui repose sur l'exploitation de
ressources forestières et de déchets agricoles, et la troisième qui est basée sur les algues. Les
biocarburants de deuxième et troisième génération sont au stade de la recherche et
développement. Seule la première génération fournit une production à échelle industrielle.
L'étude de l'impact des biocarburants en termes d'émission de CO 2 « du puits à la roue »
repose le plus souvent par des analyses de cycle de vie. On pourra se reporter à Ballerini et al.
(2011) pour une analyse détaillée portant sur les différentes technologies mises en œuvre pour
produire des biocarburants.
Dans l’utilisation des biocarburants, il convient de distinguer l'éthanol qui peut être utilisé
directement dans un moteur de type flex-fuel ou en mélange dans un moteur essence, et le
biodiesel utilisé en mélange dans un moteur diesel. Dans un moteur essence, on peut utiliser
de l'éther éthyle tertio butyle (ETBE) obtenu à partir de l'éthanol en mélange avec l'essence.
Historiquement, le Brésil a lancé le premier grand plan de développement de production
d'éthanol à partir de canne à sucre et son utilisation par les véhicules avec le plan "Proalcool"
en 1975. La voie privilégiée pour l'introduction des biocarburants en Europe est l'utilisation en
mélange avec l'essence et le diesel. Afin de promouvoir l'utilisation des biocarburants, des
objectifs d'incorporation ont été fixés. Cet objectif, de 7% en 2010 (en termes de contenu
énergétique), a été atteint en France.
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La complémentarité entre les biocarburants et les carburants traditionnels se traduit par une
forte production d'éthanol en Amérique où la tension sur les carburants automobile porte sur
l'essence alors que la production de biodiesel se situe principalement en Europe où la
motorisation diesel est privilégiée. Les États-Unis et le Brésil représentent plus de 85% de la
production mondiale de bioéthanol alors que l'Union Européenne représente près des deux
tiers de la production de biodiesel. Au total, la production de biocarburant contribue à hauteur
de 3% des besoins de carburant pour les transports terrestres au niveau mondial et 4% dans
l'Union Européenne. La France a produit 0,7 Mt d'éthanol et 2,1 Mt de biodiesel en 2010.
2. Méthodologie : modélisation de l’offre de biocarburant
L'approche qui est présentée ici repose sur l’association du modèle d’offre agricole
européenne AROPAj développé à l’INRA (voir Jayet et, 2015 pour une présentation détaillée
du modèle et de ses applications, voir aussi Ben Fradj et al, 2015, pour l’insertion d’une
biomasse pérenne dans le modèle), du modèle du secteur de transformation des biomasses en
biocarburants GIRAF (Clodic, 2013), et du modèle de raffinage OURSE développé à
l’IFPEN.
Le modèle AROPAj est un modèle d’offre d’agricole à l’échelle européenne. Il a été
initialement développé pour analyser les conséquences des réformes successives de la
politique Agricole Commune (PAC) (Galko et Jayet, 2011). AROPAj est un modèle de
programmation linéaire en nombre entier, statique de long terme, qui simule les choix des
agents agricoles en termes d'allocation des surfaces, de production animale et d'intraconsommation pour un ensemble d'exploitants agricoles représentatifs (exploitations-types
ougroupes-types). Les résultats peuvent ensuite être agrégés à l’échelle de la région, du pays
ou de l’Union Européenne. Cette modélisation permet de fournir des résultats tenant compte
de la diversité des conditions de production qui prévalent au niveau individuel. Ce niveau de
désagrégation est obtenu au prix d'une certaine rigidité : constance du nombre d'exploitations,
de la surface totale par exploitation type et des paramètres techniques. De plus, étant donné
qu'il s'agit d'un modèle d'offre, les prix sont des paramètres du modèle.
La dimension spatiale est une des caractéristiques fortes du modèle. Dans la version utilisée
ici, la couverture géographique comprend vingt-quatre pays de l'Union Européenne et suit la
nomenclature des régions du Réseau d’Information Comptable Agricole (RICA). Seuls Malte,
la Roumanie et la Bulgarie n'ont pas été prises en compte pour des raisons de disponibilité des
données RICA au moment du calibrage. AROPAj représente l'offre agricole européenne à la
fois végétale et animale. Il tient compte des interactions entre les deux types d'activités qui
peuvent coexister au sein d’une même exploitation agricole, par la prise en compte des
systèmes mixtes de type polyculture-élevage. Même si ce modèle ne couvre pas la totalité des
types d'exploitation agricole et des produits agricoles, il décrit une grande partie de la surface
agricole utile (SAU) dédiée aux grandes cultures (blé dur, blé tendre, orges, avoine, seigle,
maïs grain, riz, autres céréales, colza, tournesol, soja, pommes de terre, betteraves).
Dans la modélisation, les agriculteurs représentés par 1300 exploitations type maximisent
leurs profits en fonction d’un système de prix. L’allocation des terres et les niveaux de
production agricole qui résultent de l’optimisation des possibilités de production présentes au
sein de chaque région dans le cadre de la PAC.
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Le secteur industriel produisant des biocarburants, aujourd'hui qualifiés de conventionnels,
peut se diviser en deux parties : les acteurs fabriquant des substituts diesel (biodiesel
essentiellement) et ceux produisant des substituts essence (bioéthanol). Cette distinction est
principalement liée au fait que les matières premières utilisées, et par conséquent les procédés
employés, sont très différents.
Les estérificateurs achètent des oléagineux pour produire l'huile végétale ensuite estérifiée
avec un alcool pour obtenir du biodiesel, alors que les éthanoliers utilisent des matières
amylacées (céréales) ou sucrières (betteraves, canne à sucre) pour les faire fermenter et
aboutir à de l'alcool de type éthanol. Pour les biocarburants dits « avancés », i.e. ceux issus
des matières ligno-cellulosiques ou des algues, la même distinction est conservée, entre ceux
produisant des substituts diesel (Biomass to Liquid : BtL, biodiesel à partir de l'huile de
micro-algues) et ceux produisant des substituts essence (éthanol lignocellulosique).
Cependant, il convient de prendre en compte de nouveaux acteurs, tels que les raffineurs, pour
ces types de procédés, car ils sont semblables à ceux des unités de raffinage.
Le modèle GIRAF (Clodic, 2013) est un modèle de programmation linéaire, géo-référencé et
désagrégé. Il représente le secteur européen de production des biocarburants, en considérant
l'ensemble des acteurs identifiés dans ce secteur. Il minimise l’ensemble des coûts de
transformation des matières premières en biocarburants et des coûts de transport entre les
opérateurs « amont » (les groupes-types agricoles) et « aval » (les raffineurs). L’optimisation
est réalisée sous contraintes techniques et conditions économiques, en particulier en tenant
compte des disponibilités de la ressource et de la demande en biocarburants exprimée par les
raffineurs.
Le modèle de raffinage (OURSE) simule le fonctionnement de cette industrie à un niveau
agrégé en optimisant le fonctionnement des unités et la combinaison des pétroles bruts pour
répondre à la demande de produits pétroliers. Il fournit ainsi, pour un niveau de demande
donnée, les quantités de biocarburants qui doivent être incorporés ainsi que les coûts
marginaux associés à la disponibilité de ceux-ci. Etant donnés l’offre de ressources,
l’ensemble de technologies et le système de prix, le modèle GIRAF, fournit les niveaux
d’approvisionnement en matière première et les niveaux de production de biocarburants pour
chacun des opérateurs pris en compte. Nous comparons ensuite les niveaux de production de
biocarburants, les systèmes de prix et les coûts marginaux des produits.
Dans le modèle, l’objectif du secteur de raffinage est de déterminer la combinaison de
ressources techniques visant à satisfaire une demande de produits pétroliers au moindre coût.
Ainsi, les contraintes du problème proviennent de la marche de la raffinerie (balance de
produits intermédiaires et de produits finis, balance du fioul de raffinerie), du contrôle de la
qualité des produits, de la demande de produits finis, de la disponibilité des ressources
(capacité des unités de traitement et approvisionnement en pétrole brut) ainsi que des
émissions de polluants. En résumé, le modèle a pour objectif de minimiser les coûts annuels
de raffinage, en y intégrant l'amortissement économique des investissements. C’est un modèle
de long terme dans la mesure où il intègre les accroissements de capacité de traitement.
Le modèle OURSE est un modèle de programmation linéaire représentant l'industrie mondiale
du raffinage de manière agrégée (Lantz et al., 2012). Il est associé au modèle POLES de la
Commission Européenne. Le modèle OURSE est un modèle multi-raffineries représentant
neuf grandes régions du monde avec une raffinerie type dans chacune d'entre elles. Il a été
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désagrégé au niveau européen en 9 secteurs de raffinage et une centaine d’opérateurs géoréférencés (Clodic, 2013).
Les trois modèles d’offre agricole (AROPAj), de production de biocarburants (GIRAF) et de
raffinage (OURSE) sont liés de la manière suivante. Pour une année donnée, on définit un
scénario d’environnement économique des secteurs agricole et énergétique de l’Union
Europénne. Le modèle AROPAj fournit un niveau de production de chaque ressource
(céréales et co-produits de céréales, productions pérennes à finalité énergétique) qui peut être
utilisée pour produire des biocarburants. On obtient ainsi pour chaque groupe-type
d’exploitation une offre associée à un prix. L’offre agricole disponible pour le secteur de
production des biocarburants est elle-même distribuée sur l’espace géographique via le
module de « spatialisation » d’AROPAj (i.e. calcul de la contribution d’un groupe-type à
l’activité agricole du pixel / du polygone). Le modèle OURSE décrit la marche des raffineries
pour satisfaire la demande associée à un « scénario ». Dépendante d’un système de coûts
marginaux, cette marche des raffineries définit une demande en biocarburants. Cette demande
est confrontée à l’offre déterminée par modèle GIRAF : les biocarburants peuvent être
produits à partir de ressources européennes (en fonction des quantités offertes résultant du
modèle AROPAj et des prix agricoles) ou être importés d’un pays extérieur à l’Union
Européenne.
3. Scénarios à l’horizon 2030
L'objectif d'incorporation de biocarburants 2030 correspond à 10% d'incorporation dont 3%
représentent les biocarburants avancés qui comptent double. Il s'agit donc d'incorporer 7% de
biocarburants conventionnels et 1,5% de biocarburants avancés, soit 8,5% d'incorporation au
global. Parmi les types de biocarburants, sont envisagés pour 2030 le biodiesel et le
bioéthanol de première génération, les biocarburants lignocellulosiques (BtL, bioéthanol
lignocellulosique) et ceux issus des algues. Seule l'huile végétale pure, dont la consommation
ne cesse de baisser depuis son point culminant en 2007 (consommation de 739 tep en 2007 et
de 131 tep en 2011), n'est pas considérée pour 2030. Ceci reflète le manque de réglementation
qui rend impossible son incorporation dans les carburants automobile à la pompe en l’absence
de garantie de qualité. Concernant les autres biocarburants, la demande est calculée par
raffinerie au prorata massique de leur capacité de raffinage et en fonction des politiques en
place dans les pays, à partir de la demande en biocarburants considérée pour OURSE en 2030.
Les simulations de la demande d'énergie réalisées par la Commission Européenne à partir du
modèle PRIMES (European Commission, 2010) fournissent des projections de la demande de
produits pétroliers suivant plusieurs scénarios concernant les politiques énergétiques et
environnementales. Dans le scénario de référence, la consommation finale de produits
pétroliers (hors biocarburants) est en baisse de 14% entre 2005 et 2030. Durant, la même
période, la demande finale de produits pétroliers au niveau mondial devrait progresser
d'environ 23% pour atteindre 4410 Mt en 2030.
Les parts des produits légers, moyens et lourds devraient changer avec une diminution des
produits lourds et un accroissement de la consommation de distillats moyens. Cependant, dans
les projections européennes effectuées avec le modèle PRIMES, les parts respectives de
l'essence et du diesel ne devraient pas beaucoup changer durant les deux prochaines
décennies. Cependant, les spécifications des produits pétroliers seront plus sévères, ceci en
particulier pour les soutes maritimes.
5
Du côté de l'offre mondiale de pétrole brut, le degré API 1 moyen des bruts conventionnels
devrait décroître légèrement à l'horizon 2030. Toutefois, ceci serait compensé par
l'augmentation de la part des condensats dans l'approvisionnement pétrolier et l'offre de brut
synthétique obtenu à partir de pétrole extra-lourd (pétrole non conventionnel). Ainsi, le degré
API moyen du pétrole brut traité en raffinerie devrait rester inchangé. Pour les simulations du
raffinage, le prix de référence du pétrole brut est de 105,9 $/b (dollar constant base
100=2005). Des analyses de sensibilité sont ensuite menées sur le prix du pétrole
Commentaire [J1]: Définir l’acronyme
Mis en forme : Non Surlignage
4. Résultats et discussion
A partir de la demande de produits pétroliers, des hypothèses sur l'offre de pétrole brut (en
volume et en prix), la simulation effectuée avec le modèle OURSE fournit les niveaux de
production des raffineries, les investissements nécessaires, les quantités de pétrole brut
traitées, les échanges de produits et les coûts marginaux des produits (variables duales
associées aux contraintes de demande) pour l'année horizon 2030.
La production des raffineries devrait baisser en Amérique du Nord et en Europe alors qu'elle
augmente fortement dans les autres régions du monde. La production des raffineries de l'UE27 se réduit à environ 559 Mtep en 2030 (soit 555 Mt) alors qu'elle s'établissait à 666,2 Mt en
2005. Ainsi la production européenne chute de 16% par rapport à 2005.
L'analyse des flux de produits pétroliers montrent les besoins d'essence de l'Amérique du
Nord et le déficit en diesel de l'Europe. La simulation de la balance des produits pétroliers de
l'UE-27 montre que la production et la consommation sont globalement équilibrées.
Cependant, on observe des flux significatifs d'importation de diesel (environ 21% de la
demande) tandis que les raffineries européennes devraient exporter environ 18% de leur
production d'essence.
A partir de la demande finale de carburants qui s'établirait à 100,2 Mtep pour l'essence et
189,7 Mtep pour le diesel, les incorporations de biocarburant s'établiraient autour de
24,6 Mtep, la part des biocarburants 1G et 2G représentant respectivement 7% et 1,5% . Les
émissions directes de CO 2 liées à la combustion seraient alors réduites de l’ordre de 75 Mt
CO 2 par an à cet horizon.
En conséquence, les besoins en ressource seraient élevés, justifiant le recours à des
importations. Ainsi, dans de premières simulations, la production de biodiesel européenne
pourrait s'établir autour de 13,5 Mt obligeant à des importations de l'ordre de 5 Mt.
Conclusion
La consommation de carburant en Europe connaît désormais un ralentissement lié notamment
aux substitutions entre les modes de transport et à l’amélioration de l’efficacité technologique
1
Le degré API est une mesure de la densité couramment utilisée pour le pétrole. Il a été défini par l’American
Petroleum Institute (API) comme
=
API
Mis en forme : Décalage bas de 12 pt
141,5
− 131,5
densité
6
des moteurs. Néanmoins, elle reste à un niveau élevé soulevant à la fois des problèmes de
dépendance énergétique et des émissions de gaz à effet de serre.
Le développement des biocarburants permet à la fois de réduire les émissions polluantes liées
à la combustion dans les moteurs et de réduire la dépendance énergétique de l’Europe dans le
cadre du scénario étudié à l’horizon 2030.
L’objectif d’un scénario d’incorporation de 10% est réalisable. Toutefois, ceci conduit à à
mettre en œuvre les procédés de première et deuxième génération. Il serait également
nécessaire de recourir à des importations de biodiesel (ou de ressources permettant de
produire du biodiesel). La France et l’Allemagne seraient les deux premiers producteurs de
biocarburants en Europe.
Références
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and biofuel: a supply-side model based assessment at the European scale (minor revision)
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intra- et extra-européens, effets croisés avec les marchés pétroliers et contrainte carbone ,
thèse de doctorat, AgroParisTech-ABIES, 417 p.
Commissariat Général au Développement Durable, 2012, Bilan énergétique de la France pour
2012, Juillet 2012, 94 p.
European Commission, 2010, EU Energy Trends to 2030, Directorate-General for Energy,
180 p.
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http://www6.versailles-grignon.inra.fr/economie_publique/Publications
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Michaelides E., Alternative Energy Sources, Springer, 2012, 459 p.
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