Carburant éthanol - Ethanol fuel

Le Saab 9-3 SportCombi BioPower était le deuxième modèle flexifuel E85 introduit par Saab sur le marché suédois.

L'éthanol carburant est de l'alcool éthylique , le même type d' alcool que l'on trouve dans les boissons alcoolisées , utilisé comme carburant . Il est le plus souvent utilisé comme carburant moteur , principalement comme additif de biocarburant pour l' essence . La première voiture de série fonctionnant entièrement à l'éthanol était la Fiat 147 , introduite en 1978 au Brésil par Fiat . L'éthanol est généralement fabriqué à partir de biomasse comme le maïs ou la canne à sucre . La production mondiale d'éthanol pour les carburants de transport a triplé entre 2000 et 2007, passant de 17 × 10 9 litres (4,5 × 10 9  gal US ; 3,7 × 10 9  imp gal) à plus de 52 × 10 9 litres (1,4 × 10 10  gal US ; 1,1 × 10 10  gallons impériaux). De 2007 à 2008, la part de l'éthanol dans la consommation mondiale de carburants de type essence est passée de 3,7 % à 5,4 %. En 2011, la production mondiale de carburant à l'éthanol a atteint 8,46 × 10 10 litres (2,23 × 10 10  gal US ; 1,86 × 10 10  gal imp) avec les États-Unis d'Amérique et le Brésil étant les principaux producteurs, représentant 62,2 % et 25 % de la production mondiale , respectivement. La production d'éthanol aux États-Unis a atteint 57,54 × 10 9 litres (1,520 × 10 10  gal US; 1,266 × 10 10  imp gal) en 2017-04.

Le carburant à l'éthanol a une valeur « essence gallon équivalent » (GGE) de 1,5, c'est-à-dire que pour remplacer l'énergie d'un volume d'essence, il faut 1,5 fois le volume d'éthanol.

Le carburant à l'éthanol est largement utilisé au Brésil , aux États-Unis et en Europe (voir aussi Carburant à l'éthanol par pays ). La plupart des voitures sur la route aujourd'hui aux États-Unis peuvent fonctionner avec des mélanges contenant jusqu'à 10 % d'éthanol , et l'éthanol représentait 10 % de l'approvisionnement en essence aux États-Unis provenant de sources nationales en 2011. Certains véhicules polycarburants peuvent utiliser jusqu'à 100 % d'éthanol.

Depuis 1976, le gouvernement brésilien a rendu obligatoire le mélange d'éthanol avec de l'essence, et depuis 2007, le mélange légal est d'environ 25 % d'éthanol et 75 % d'essence (E25). En décembre 2011, le Brésil disposait d'un parc de 14,8 millions d' automobiles et de camions légers flex-fuel et de 1,5 million de motos flex-fuel qui utilisent régulièrement de l'éthanol pur (appelé E100 ).

Le bioéthanol est une forme d' énergie renouvelable qui peut être produite à partir de matières premières agricoles . Il peut être fabriqué à partir de cultures très courantes telles que le chanvre , la canne à sucre , la pomme de terre , le manioc et le maïs . Il y a eu un débat considérable sur l'utilité du bioéthanol pour remplacer l'essence. Les inquiétudes concernant sa production et son utilisation concernent l' augmentation des prix des denrées alimentaires en raison de la grande quantité de terres arables nécessaires aux cultures, ainsi que le bilan énergétique et de pollution de l'ensemble du cycle de production d'éthanol, en particulier à partir du maïs.

Chimie

Structure de la molécule d'éthanol. Toutes les obligations sont des obligations simples

Pendant la fermentation de l'éthanol , le glucose et les autres sucres du maïs (ou de la canne à sucre ou d'autres cultures) sont transformés en éthanol et en dioxyde de carbone .

C 6 H 12 O 6 → 2 C 2 H 5 OH+ 2 CO 2 + chaleur

La fermentation de l'éthanol n'est pas sélective à 100% avec des produits secondaires tels que l'acide acétique et les glycols. Ils sont pour la plupart éliminés lors de la purification à l'éthanol. La fermentation a lieu dans une solution aqueuse. La solution résultante a une teneur en éthanol d'environ 15 %. L'éthanol est ensuite isolé et purifié par une combinaison d'adsorption et de distillation.

Lors de la combustion, l'éthanol réagit avec l' oxygène pour produire du dioxyde de carbone, de l'eau et de la chaleur :

C 2 H 5 OH + 3 O 2 → 2 CO 2 + 3 H 2 O + chaleur

Les molécules d' amidon et de cellulose sont des chaînes de molécules de glucose. Il est également possible de générer de l'éthanol à partir de matériaux cellulosiques. Cela, cependant, nécessite un prétraitement qui divise la cellulose en molécules de glucose et d'autres sucres qui peuvent ensuite être fermentés. Le produit obtenu est appelé éthanol cellulosique , indiquant sa source.

L'éthanol est également produit industriellement à partir de l' éthylène par hydratation de la double liaison en présence d'un catalyseur et à haute température.

C 2 H 4 + H 2 O → C 2 H 5 OH

La plupart de l'éthanol est produit par fermentation.

Sources

Récolte de canne à sucre
Champ de maïs en Afrique du Sud
Le panic raide

Environ 5 % de l'éthanol produit dans le monde en 2003 était en fait un produit pétrolier. Il est fabriqué par l'hydratation catalytique de l'éthylène avec de l'acide sulfurique comme catalyseur . Il peut également être obtenu via l' éthylène ou l' acétylène , à partir de carbure de calcium , de charbon , de gaz de pétrole et d'autres sources. Deux millions de tonnes courtes (1 786 000 tonnes longues ; 1 814 000 t) d'éthanol dérivé du pétrole sont produites chaque année. Les principaux fournisseurs sont des usines aux États-Unis, en Europe et en Afrique du Sud. L'éthanol dérivé du pétrole (éthanol synthétique) est chimiquement identique au bioéthanol et ne peut être différencié que par datation au radiocarbone.

Le bioéthanol est généralement obtenu à partir de la conversion de matières premières à base de carbone . Les matières premières agricoles sont considérées comme renouvelables car elles tirent leur énergie du soleil grâce à la photosynthèse, à condition que tous les minéraux nécessaires à la croissance (tels que l'azote et le phosphore) soient rendus à la terre. L'éthanol peut être produit à partir d'une variété de matières premières telles que la canne à sucre , la bagasse , le miscanthus , la betterave à sucre , le sorgho , les céréales, le panic raide , l' orge , le chanvre , le kénaf , les pommes de terre , les patates douces , le manioc , le tournesol , les fruits , la mélasse , le maïs , la tige , céréales , blé , paille , coton , autre biomasse , ainsi que de nombreux types de déchets de cellulose et de récolte, selon la meilleure évaluation du puits à la roue .

Un procédé alternatif de production de bioéthanol à partir d'algues est en cours de développement par la société Algenol . Plutôt que de faire pousser des algues puis de les récolter et de les faire fermenter, les algues poussent à la lumière du soleil et produisent directement de l'éthanol, qui est éliminé sans tuer les algues. On prétend que le processus peut produire 6 000 gallons américains par acre (5 000 gallons impériaux par acre ; 56 000 litres par hectare) par an, contre 400 gallons américains par acre (330 imp gal/acre ; 3 700 L/ha) pour la production de maïs.

Actuellement, les procédés de première génération de production d'éthanol à partir de maïs n'utilisent qu'une petite partie du plant de maïs : les grains de maïs sont extraits du plant de maïs et seul l'amidon, qui représente environ 50 % de la masse sèche du grain, est transformé en éthanol. Deux types de procédés de deuxième génération sont en cours de développement. Le premier type utilise des enzymes et la fermentation de levures pour convertir la cellulose végétale en éthanol tandis que le second type utilise la pyrolyse pour convertir la plante entière en une bio-huile liquide ou un gaz de synthèse . Les procédés de deuxième génération peuvent également être utilisés avec des plantes telles que des graminées, du bois ou des déchets agricoles tels que la paille.

Production

Bien qu'il existe différentes manières de produire de l'éthanol , la méthode la plus courante est la fermentation.

Les étapes de base de la production à grande échelle d'éthanol sont : la fermentation microbienne ( levure ) des sucres, la distillation , la déshydratation (les exigences varient, voir les mélanges de carburants à l'éthanol ci-dessous) et la dénaturation (facultatif). Avant la fermentation, certaines cultures nécessitent une saccharification ou une hydrolyse des glucides tels que la cellulose et l'amidon en sucres. La saccharification de la cellulose est appelée cellulolyse (voir éthanol cellulosique ). Les enzymes sont utilisées pour convertir l'amidon en sucre.

Fermentation

L'éthanol est produit par fermentation microbienne du sucre. La fermentation microbienne ne fonctionne actuellement qu'en direct avec les sucres . Deux composants majeurs des plantes, l' amidon et la cellulose, sont tous deux constitués de sucres et peuvent, en principe, être convertis en sucres pour la fermentation. Actuellement, seules les portions de sucre (par exemple, la canne à sucre) et d'amidon (par exemple, le maïs) peuvent être économiquement converties.

Il existe un intérêt pour l' éthanol cellulosique obtenu à partir de la décomposition de la cellulose végétale en sucres et de la conversion des sucres en éthanol. Cependant, l'éthanol cellulosique n'est actuellement pas économique et n'est pas utilisé commercialement. Selon un rapport de 2006 de l'Agence internationale de l'énergie , l'éthanol cellulosique pourrait être important à l'avenir.

Distillation

Usine d'éthanol à West Burlington, Iowa
Usine d'éthanol à Sertãozinho, Brésil.

Pour que l'éthanol soit utilisable comme carburant, les solides de levure et la majorité de l'eau doivent être éliminés. Après fermentation, le moût est chauffé pour que l'éthanol s'évapore. Ce processus, connu sous le nom de distillation , sépare l'éthanol, mais sa pureté est limitée à 95-96% en raison de la formation d'un azéotrope eau-éthanol à bas point d'ébullition avec un maximum (95,6% m/m (96,5 % v/v) d'éthanol et 4,4 % m/m (3,5 % v/v) d'eau). Ce mélange est appelé éthanol hydraté et peut être utilisé comme carburant seul, mais contrairement à l' éthanol anhydre, l' éthanol hydraté n'est pas miscible dans tous les rapports avec l'essence, de sorte que la fraction d'eau est généralement éliminée dans un traitement ultérieur pour brûler en combinaison avec l'essence dans les moteurs à essence .

Déshydratation

Il existe trois procédés de déshydratation pour éliminer l'eau d'un mélange azéotropique éthanol/eau. Le premier procédé, utilisé dans de nombreuses premières usines d'éthanol-carburant, est appelé distillation azéotropique et consiste à ajouter du benzène ou du cyclohexane au mélange. Lorsque ces composants sont ajoutés au mélange, il forme un mélange azéotropique hétérogène en équilibre vapeur-liquide-liquide , qui, lorsqu'il est distillé, produit de l'éthanol anhydre au fond de la colonne et un mélange vapeur d'eau, d'éthanol et de cyclohexane/benzène.

Une fois condensé, cela devient un mélange liquide à deux phases. La phase plus lourde, pauvre en entraîneur (benzène ou cyclohexane), est débarrassée de l'entraîneur et recyclée dans la charge - tandis que la phase plus légère, avec les condensats de l'entraînement, est recyclée dans la deuxième colonne. Une autre méthode ancienne, appelée distillation extractive , consiste à ajouter un composant ternaire qui augmente la volatilité relative de l'éthanol. Lorsque le mélange ternaire est distillé, il produit de l'éthanol anhydre sur le flux de tête de la colonne.

Avec une attention croissante portée à l'économie d'énergie, de nombreuses méthodes ont été proposées qui évitent complètement la distillation pour la déshydratation. Parmi ces méthodes, une troisième méthode a émergé et a été adoptée par la majorité des usines d'éthanol modernes. Ce nouveau procédé utilise des tamis moléculaires pour éliminer l'eau de l'éthanol-carburant. Dans ce processus, la vapeur d'éthanol sous pression traverse un lit de billes de tamis moléculaire. Les pores de la bille sont dimensionnés pour permettre l' adsorption de l'eau tout en excluant l'éthanol. Après un certain temps, le lit est régénéré sous vide ou sous flux d'atmosphère inerte (par exemple N 2 ) pour éliminer l'eau adsorbée. Deux lits sont souvent utilisés afin que l'un soit disponible pour adsorber l'eau pendant que l'autre est en cours de régénération. Cette technologie de déshydratation peut représenter une économie d'énergie de 3 000 btus/gallon (840 k J /L) par rapport à la distillation azéotropique précédente.

Des recherches récentes ont démontré qu'une déshydratation complète avant le mélange avec de l'essence n'est pas toujours nécessaire. Au lieu de cela, le mélange azéotropique peut être mélangé directement avec de l'essence de sorte que l'équilibre de la phase liquide-liquide puisse aider à l'élimination de l'eau. Une configuration à contre-courant en deux étapes de réservoirs mélangeurs-décanteurs peut permettre une récupération complète de l'éthanol dans la phase de carburant, avec une consommation d'énergie minimale.

Problèmes d'eau en post-production

L'éthanol est hygroscopique , c'est-à-dire qu'il absorbe la vapeur d'eau directement de l'atmosphère. Étant donné que l'eau absorbée dilue la valeur du carburant de l'éthanol et peut provoquer une séparation de phase des mélanges éthanol-essence (ce qui provoque le calage du moteur), les conteneurs de carburants à l'éthanol doivent être maintenus hermétiquement fermés. Cette miscibilité élevée avec l'eau signifie que l'éthanol ne peut pas être transporté efficacement par des pipelines modernes , comme les hydrocarbures liquides, sur de longues distances.

La fraction d'eau que peut contenir un carburant éthanol-essence sans séparation de phases augmente avec le pourcentage d'éthanol. Par exemple, E30 peut contenir jusqu'à environ 2% d'eau. S'il y a plus d'environ 71 % d'éthanol, le reste peut être n'importe quelle proportion d'eau ou d'essence et la séparation de phases ne se produit pas. La consommation de carburant diminue avec l'augmentation de la teneur en eau. La solubilité accrue de l'eau avec une teneur en éthanol plus élevée permet de mettre l'E30 et l'éthanol hydraté dans le même réservoir puisque toute combinaison d'entre eux aboutit toujours à une seule phase. Un peu moins d'eau est tolérée à des températures plus basses. Pour E10, il est d'environ 0,5 % v/v à 21 °C et diminue à environ 0,23 % v/v à -34 °C .

Systèmes de production grand public

Alors que les systèmes de production de biodiesel sont commercialisés auprès des utilisateurs domestiques et professionnels depuis de nombreuses années, les systèmes de production d'éthanol commercialisés conçus pour une utilisation par le consommateur final sont à la traîne sur le marché. En 2008, deux sociétés différentes ont annoncé des systèmes de production d'éthanol à l'échelle nationale. Le système de carburant avancé AFS125 d'Allard Research and Development est capable de produire à la fois de l'éthanol et du biodiesel dans une seule machine, tandis que le E-100 MicroFueler de E-Fuel Corporation est dédié à l'éthanol uniquement.

Moteurs

L'économie de carburant

L'éthanol contient env. 34 % d'énergie en moins par unité de volume que l'essence, et donc en théorie, la combustion d'éthanol pur dans un véhicule réduit l'autonomie par unité de mesure de 34 %, pour la même économie de carburant , par rapport à la combustion d'essence pure. Cependant, comme l'éthanol a un indice d'octane plus élevé , le moteur peut être rendu plus efficace en augmentant son taux de compression.

Pour l'E10 (10 % d'éthanol et 90 % d'essence), l'effet est faible (~ 3 %) par rapport à l'essence conventionnelle, et encore plus faible (1 à 2 %) par rapport aux mélanges oxygénés et reformulés. Pour l'E85 (85 % d'éthanol), l'effet devient significatif. L'E85 produit un kilométrage inférieur à celui de l'essence et nécessite un ravitaillement plus fréquent. Les performances réelles peuvent varier en fonction du véhicule. D'après les tests de l'EPA pour tous les modèles E85 2006, la consommation moyenne de carburant des véhicules E85 était de 25,56 % inférieure à celle de l'essence sans plomb. Le kilométrage évalué par l'EPA des véhicules flex-fuel actuels aux États-Unis doit être pris en compte lors des comparaisons de prix, mais l'E85 est un carburant haute performance, avec un indice d'octane d'environ 94-96, et doit être comparé à un carburant premium. L'éthanol ne convient pas à la plupart des avions, selon la RACQ , ainsi qu'à certaines motos et petits moteurs, bien que l' Embraer EMB 202 Ipanema soit un exemple d'avion spécialement conçu pour être utilisé avec du carburant à l'éthanol dans certaines variantes.

Démarrage à froid pendant l'hiver

La Honda Civic 2008 flex-fuel brésilienne a un accès extérieur direct au réservoir d'essence du réservoir secondaire sur le côté avant droit, la trappe de remplissage de carburant correspondante est indiquée par la flèche.

Les mélanges à haute teneur en éthanol présentent un problème pour atteindre une pression de vapeur suffisante pour que le carburant s'évapore et déclenche l'allumage par temps froid (puisque l'éthanol a tendance à augmenter l' enthalpie de vaporisation du carburant ). Lorsque la pression de vapeur est inférieure à 45 kPa, le démarrage d'un moteur froid devient difficile. Pour éviter ce problème à des températures inférieures à 11  °C (52  °F ) et pour réduire les émissions d'éthanol plus élevées par temps froid, les marchés américain et européen ont adopté l'E85 comme mélange maximal à utiliser dans leurs véhicules à carburant flexible, et ils sont optimisés pour fonctionner avec un tel mélange. Dans les endroits où le froid est rigoureux, le mélange d'éthanol aux États-Unis a une réduction saisonnière à E70 pour ces régions très froides, bien qu'il soit toujours vendu sous le nom de E85. Aux endroits où les températures descendent en dessous de -12  °C (10  °F ) pendant l'hiver, il est recommandé d'installer un système de chauffage du moteur, à la fois pour les véhicules à essence et E85. La Suède a une réduction saisonnière similaire, mais la teneur en éthanol dans le mélange est réduite à E75 pendant les mois d'hiver.

Les véhicules flex fuel brésiliens peuvent fonctionner avec des mélanges d'éthanol jusqu'à E100 , qui est de l' éthanol hydraté (avec jusqu'à 4 % d'eau), ce qui entraîne une baisse de la pression de vapeur plus rapide que celle des véhicules E85. En conséquence, les véhicules flex brésiliens sont construits avec un petit réservoir d'essence secondaire situé près du moteur. Lors d'un démarrage à froid, de l'essence pure est injectée pour éviter les problèmes de démarrage à basse température. Cette disposition est particulièrement nécessaire pour les utilisateurs des régions méridionales et centrales du Brésil, où les températures descendent normalement en dessous de 15  °C (59  °F ) pendant l'hiver. Une génération de moteurs flexibles améliorée a été lancée en 2009 qui élimine le besoin du réservoir de stockage de gaz secondaire. En mars 2009, Volkswagen do Brasil a lancé la Polo E-Flex , le premier modèle brésilien de carburant flex sans réservoir auxiliaire pour démarrage à froid.

Mélanges de carburant

Tableau des prix de l' éthanol hydraté × essence de type C à utiliser au Brésil
L'étiquette E15 de l'EPA doit être affichée dans tous les distributeurs de carburant E15 aux États-Unis

Dans de nombreux pays, les voitures sont obligées de rouler avec des mélanges d'éthanol. Tous les véhicules légers brésiliens sont construits pour fonctionner avec un mélange d'éthanol jusqu'à 25 % ( E25 ), et depuis 1993, une loi fédérale exige des mélanges entre 22 % et 25 % d'éthanol, avec 25 % requis à la mi-juillet 2011. Dans aux États-Unis, tous les véhicules légers sont construits pour fonctionner normalement avec un mélange d'éthanol à 10 % ( E10 ). À la fin de 2010, plus de 90 pour cent de toute l'essence vendue aux États-Unis était mélangée à de l'éthanol. En janvier 2011, l' Environmental Protection Agency (EPA) des États - Unis a émis une dérogation pour autoriser jusqu'à 15 % d'éthanol mélangé à de l'essence ( E15 ) à vendre uniquement pour les voitures et les camionnettes légères dont l' année modèle est 2001 ou plus récente.

À partir de l'année modèle 1999, un nombre croissant de véhicules dans le monde sont fabriqués avec des moteurs pouvant fonctionner avec n'importe quel carburant de 0 % d'éthanol à 100 % d'éthanol sans modification. De nombreuses voitures et camions légers (une classe contenant des mini - fourgonnettes , des SUV et des camionnettes ) sont conçus pour être des véhicules à carburant flexible utilisant des mélanges d'éthanol jusqu'à 85 % ( E85 ) en Amérique du Nord et en Europe, et jusqu'à 100 % (E100) au Brésil . Dans les années modèles plus anciennes, leurs systèmes de moteur contenaient des capteurs d'alcool dans le carburant et / ou des capteurs d'oxygène dans l'échappement qui fournissent une entrée à l'ordinateur de contrôle du moteur pour ajuster l'injection de carburant afin d'obtenir un air stoechiométrique (pas de carburant résiduel ou d'oxygène libre dans l'échappement) -rapport carburant pour n'importe quel mélange de carburant. Dans les modèles plus récents, les capteurs d'alcool ont été supprimés, l'ordinateur n'utilisant que la rétroaction des capteurs d'oxygène et de débit d'air pour estimer la teneur en alcool. L'ordinateur de contrôle du moteur peut également régler (avancer) le calage de l'allumage pour obtenir un rendement plus élevé sans pré-allumage lorsqu'il prédit que des pourcentages d'alcool plus élevés sont présents dans le carburant brûlé. Cette méthode est renforcée par des capteurs de cliquetis avancés - utilisés dans la plupart des moteurs à essence haute performance, qu'ils soient conçus pour utiliser de l'éthanol ou non - qui détectent le pré-allumage et la détonation.

En juin 2021, l'Inde a avancé à 2025 son objectif de mettre en œuvre un carburant automobile composé à 20 % d'éthanol. Le taux de mélange d'éthanol dans le carburant de l'Inde (au moment de cette révision cible) est de 8 %, et devrait passer à 10 % d'ici 2022 sur la base de la « feuille de route pour le mélange d'éthanol en Inde 2020-25 » publiée le 5 juin ( World Environment Day ) par le Premier ministre Narendra Modi . Le gouvernement s'attend à ce que les sociétés de commercialisation de pétrole telles que Indian Oil Corp (IOC) et Hindustan Petroleum Corp Ltd (HPCL) fournissent 20% de carburant à base d'éthanol à partir d'avril 2023. Des États comme le Maharashtra et l'Uttar Pradesh, où l'éthanol est excédentaire, devraient être les premiers à adopter le taux de mélange d'éthanol-carburant plus élevé. L'Inde donne également la priorité au déploiement de véhicules compatibles avec l'éthanol-carburant. À partir de mars 2021, les constructeurs automobiles sont tenus d'indiquer la compatibilité avec l'éthanol des nouveaux véhicules et les moteurs doivent être conçus de manière optimale pour utiliser un carburant contenant 20 % d'éthanol. Le gouvernement s'attend à ce que les constructeurs automobiles commencent la production de véhicules conformes aux carburants à l'éthanol avant avril 2022. Cependant, les écologistes craignent que l'objectif accru de l'Inde pour le mélange d'éthanol puisse inciter les cultures à forte intensité d'eau telles que la canne à sucre et le riz, et suggèrent que le gouvernement devrait se concentrer sur la baisse -les cultures à forte intensité hydrique comme le mil car l'Inde fait déjà face à une grave pénurie d'eau.

Autres configurations de moteur

moteurs ED95

Depuis 1989, des moteurs à éthanol basés sur le principe diesel fonctionnent également en Suède. Ils sont principalement utilisés dans les bus urbains, mais aussi dans les camions de distribution et les collecteurs de déchets. Les moteurs, fabriqués par Scania , ont un taux de compression modifié, et le carburant (appelé ED95) utilisé est un mélange de 93,6% d'éthanol et 3,6% d'améliorant d'allumage, et 2,8% de dénaturants . L'améliorateur d'allumage permet au carburant de s'enflammer dans le cycle de combustion diesel. Il est alors également possible d'utiliser l'efficacité énergétique du principe diesel avec de l'éthanol. Ces moteurs ont été utilisés au Royaume-Uni par Reading Buses, mais l'utilisation de carburant bioéthanol est maintenant progressivement supprimée.

Injection directe bicarburant

Une étude du MIT de 2004 et un article antérieur publié par la Society of Automotive Engineers ont identifié une méthode permettant d'exploiter les caractéristiques de l'éthanol-carburant de manière beaucoup plus efficace que de le mélanger avec de l'essence. La méthode présente la possibilité de tirer parti de l'utilisation de l'alcool pour obtenir une nette amélioration par rapport à la rentabilité de l'électricité hybride. L'amélioration consiste à utiliser l'injection directe à double carburant d'alcool pur (ou l'azéotrope ou E85) et d'essence, dans n'importe quel rapport jusqu'à 100 % de l'un ou l'autre, dans un moteur turbocompressé, à taux de compression élevé, de petite cylindrée ayant des performances similaires à un moteur ayant deux fois la cylindrée. Chaque carburant est transporté séparément, avec un réservoir d'alcool beaucoup plus petit. Le moteur à haute compression (pour une plus grande efficacité) fonctionne avec de l'essence ordinaire dans des conditions de croisière à faible puissance. L'alcool n'est injecté directement dans les cylindres (et l'injection d'essence simultanément réduite) que lorsque cela est nécessaire pour supprimer le « cognement », comme lors d'une accélération significative. L'injection directe dans les cylindres augmente l'indice d'octane déjà élevé de l'éthanol jusqu'à 130. La réduction globale calculée de la consommation d'essence et des émissions de CO 2 est de 30 %. Le temps de récupération des coûts pour le consommateur montre une amélioration de 4:1 par rapport au turbodiesel et une amélioration de 5:1 par rapport à l'hybride. Les problèmes d'absorption d'eau dans l'essence pré-mélangée (provoquant une séparation de phases), les problèmes d'approvisionnement de rapports de mélange multiples et de démarrage par temps froid sont également évités.

Efficacité thermique accrue

Dans une étude de 2008, des commandes de moteur complexes et une recirculation accrue des gaz d'échappement ont permis un taux de compression de 19,5 avec des carburants allant de l'éthanol pur à l'E50. Une efficacité thermique jusqu'à environ celle d'un diesel a été atteinte. Cela se traduirait par une économie de carburant d'un véhicule à l'éthanol propre à peu près la même que celle d'un véhicule à essence.

Piles à combustible alimentées par un reformeur d'éthanol

En juin 2016, Nissan a annoncé son intention de développer des véhicules à pile à combustible alimentés à l'éthanol plutôt qu'à l' hydrogène , le carburant de choix des autres constructeurs automobiles qui ont développé et commercialisé des véhicules à pile à combustible, tels que le Hyundai Tucson FCEV , le Toyota Mirai et le Honda FCX. Clarté . Le principal avantage de cette approche technique est qu'il serait moins cher et plus facile à déployer l'infrastructure de ravitaillement que la mise en place d' une nécessaire pour fournir de l' hydrogène à des pressions élevées, comme le coût de chaque poste de ravitaillement en hydrogène de 1 million $ à 2 millions $ à construire.

Nissan prévoit de créer une technologie qui utilise du carburant à l'éthanol liquide comme source pour générer de l'hydrogène dans le véhicule lui-même. La technologie utilise la chaleur pour reformer l'éthanol en hydrogène pour alimenter ce que l'on appelle une pile à combustible à oxyde solide (SOFC). La pile à combustible génère de l'électricité pour alimenter le moteur électrique entraînant les roues, grâce à une batterie qui gère les pics de demande et stocke l'énergie régénérée. Le véhicule comprendrait un réservoir pour un mélange d'eau et d'éthanol, qui alimente un reformeur embarqué qui le divise en hydrogène pur et en dioxyde de carbone. Selon Nissan, le carburant liquide pourrait être un mélange éthanol-eau dans un rapport 55:45. Nissan prévoit de commercialiser sa technologie d'ici 2020.

Expérience par pays

Les principaux producteurs mondiaux de carburant à l'éthanol en 2011 étaient les États-Unis avec 13,9 × 10 9 gallons américains (5,3 × 10 10 litres ; 1,16 × 10 10 gallons impériaux ) et le Brésil avec 5,6 × 10 9 gallons américains (2,1 × 10 10 litres ; 4,7 × 10 9 gallons impériaux), représentant ensemble 87,1 % de la production mondiale de 22,36 × 10 9 gallons américains (8,46 × 10 10 litres ; 1,862 × 10 10 gallons impériaux). De fortes incitations, associées à d'autres initiatives de développement de l'industrie, donnent naissance à des industries de l'éthanol naissantes dans des pays tels que l'Allemagne, l'Espagne, la France, la Suède, la Chine, la Thaïlande, le Canada, la Colombie, l'Inde, l'Australie et certains pays d'Amérique centrale.

Production annuelle d'éthanol-carburant par pays
(2007-2011)
Les 10 principaux pays/blocs régionaux
(millions de gallons liquides américains par an)

Classement mondial
Pays/Région 2011 2010 2009 2008 2007
1  États Unis 13 900,00 13 231,00 10 938,00 9 235,00 6 485,00
2  Brésil 5 573,24 6 921,54 6 577,89 6 472,20 5 019,20
3  UE 1 199,31 1 176,88 1 039,52 733,60 570.30
4  Chine 554.76 541.55 541.55 501.90 486,00
5  Thaïlande 435.20 89,80 79,20
6  Canada 462.30 356.63 290,59 237,70 211.30
7  Inde 91,67 66,00 52,80
8  Colombie 83.21 79.30 74,90
9  Australie 87,20 66.04 56,80 26.40 26.40
dix Autre 247,27
Total mondial 22 356,09 22 946,87 19 534,99 17 335,20 13 101,70

Environnement

Bilan énergétique

Bilan énergétique
Pays Taper Bilan énergétique
États Unis Éthanol de maïs 1.3
Allemagne Biodiesel 2.5
Brésil Éthanol de canne à sucre 8
États Unis Éthanol cellulosique 2-36 ††

† expérimental, pas en production commerciale

selon la méthode de production

Toute la biomasse passe par au moins certaines de ces étapes : elle doit être cultivée, collectée, séchée, fermentée, distillée et brûlée. Toutes ces étapes nécessitent des ressources et une infrastructure. La quantité totale d'énergie introduite dans le processus par rapport à l'énergie libérée par la combustion du carburant à l'éthanol résultant est connue sous le nom de bilan énergétique (ou « énergie restituée sur l'énergie investie »). Les chiffres compilés dans un rapport de 2007 de National Geographic indiquent des résultats modestes pour l'éthanol de maïs produit aux États-Unis : une unité d'énergie fossile est nécessaire pour créer 1,3 unité d'énergie à partir de l'éthanol obtenu. Le bilan énergétique de l'éthanol de canne à sucre produit au Brésil est plus favorable, avec une unité d'énergie fossile nécessaire pour en créer 8 à partir de l'éthanol. Les estimations du bilan énergétique ne sont pas faciles à produire, c'est pourquoi de nombreux rapports de ce type sont contradictoires. Par exemple, une enquête distincte rapporte que la production d'éthanol à partir de la canne à sucre, qui nécessite un climat tropical pour croître de manière productive, rapporte de 8 à 9 unités d'énergie pour chaque unité dépensée, par rapport au maïs, qui ne rapporte qu'environ 1,34 unité d'énergie de carburant. pour chaque unité d'énergie dépensée. Une étude de 2006 de l'Université de Californie à Berkeley, après avoir analysé six études distinctes, a conclu que la production d'éthanol à partir de maïs utilise beaucoup moins de pétrole que la production d'essence.

Le dioxyde de carbone , un gaz à effet de serre , est émis lors de la fermentation et de la combustion. Ceci est annulé par la plus grande absorption de dioxyde de carbone par les plantes à mesure qu'elles poussent pour produire la biomasse. Lorsqu'il est produit selon certaines méthodes, l'éthanol libère moins de gaz à effet de serre que l'essence.

La pollution de l'air

Comparé à l'essence sans plomb conventionnelle , l'éthanol est une source de carburant sans particules qui brûle avec l'oxygène pour former du dioxyde de carbone, du monoxyde de carbone, de l'eau et des aldéhydes . Le Clean Air Act exige l'ajout d' oxygénats pour réduire les émissions de monoxyde de carbone aux États-Unis. L'additif MTBE est actuellement abandonné en raison de la contamination des eaux souterraines, l'éthanol devient donc un additif alternatif intéressant. Les méthodes de production actuelles incluent la pollution de l'air par le fabricant d' engrais à macronutriments tels que l'ammoniac.

Une étude menée par des scientifiques de l'atmosphère de l'Université de Stanford a révélé que le carburant E85 augmenterait le risque de décès par pollution de l'air par rapport à l'essence de 9 % à Los Angeles, aux États-Unis : une très grande métropole urbaine basée sur les voitures qui est le pire des cas. Les niveaux d' ozone sont considérablement augmentés, augmentant ainsi le smog photochimique et aggravant les problèmes médicaux tels que l'asthme.

Le Brésil brûle des quantités importantes de biocarburant à base d'éthanol. Des études de chromatographie en phase gazeuse ont été réalisées sur l'air ambiant à São Paulo, au Brésil, et par rapport à Osaka, au Japon, qui ne brûle pas de carburant à l'éthanol. Le formaldéhyde atmosphérique était 160 % plus élevé au Brésil, et l' acétaldéhyde était 260 % ​​plus élevé.

Gaz carbonique

Calcul du gouvernement britannique de l'intensité carbone du bioéthanol de maïs cultivé aux États-Unis et brûlé au Royaume-Uni.
Graphique des chiffres britanniques pour l' intensité carbone du bioéthanol et des combustibles fossiles . Ce graphique suppose que tous les bioéthanols sont brûlés dans leur pays d'origine et que les terres cultivées précédemment existantes sont utilisées pour cultiver la matière première.

Le calcul de la quantité exacte de dioxyde de carbone produite dans la fabrication de bioéthanol est un processus complexe et inexact, et dépend fortement de la méthode par laquelle l'éthanol est produit et des hypothèses formulées dans le calcul. Un calcul doit inclure :

  • Le coût de la croissance de la matière première
  • Le coût du transport de la matière première jusqu'à l'usine
  • Le coût de transformation de la matière première en bioéthanol

Un tel calcul peut prendre en compte ou non les effets suivants :

  • Le coût du changement d'utilisation des terres de la zone où la matière première du combustible est cultivée.
  • Le coût du transport du bioéthanol de l'usine à son point d'utilisation
  • L'efficacité du bioéthanol par rapport à l'essence standard
  • La quantité de dioxyde de carbone produite au niveau du tuyau d'échappement.
  • Les bénéfices dus à la production de sous-produits utiles, tels que l'alimentation du bétail ou l'électricité.

Le graphique de droite montre les chiffres calculés par le gouvernement britannique aux fins de l' obligation de carburant de transport renouvelable .

L'article scientifique de janvier 2006 de l'ERG de l'UC Berkeley, a estimé la réduction de l'éthanol de maïs dans les GES à 13 % après avoir examiné un grand nombre d'études. Dans une correction à cet article publié peu de temps après sa publication, ils réduisent la valeur estimée à 7,4%. Un article de vue d'ensemble du National Geographic (2007) fait état de 22 % d' émissions de CO 2 en moins dans la production et l'utilisation de l'éthanol de maïs par rapport à l'essence et une réduction de 56 % pour l'éthanol de canne. Le constructeur automobile Ford fait état d'une réduction de 70 % des émissions de CO 2 avec le bioéthanol par rapport à l'essence pour l'un de ses véhicules polycarburants.

Une complication supplémentaire est que la production nécessite de labourer un nouveau sol qui produit une libération ponctuelle de GES qu'il peut falloir des décennies ou des siècles de réductions de production des émissions de GES pour égaliser. À titre d'exemple, la conversion des prairies en production de maïs pour l'éthanol prend environ un siècle d'économies annuelles pour compenser les GES libérés par le labour initial.

Changement d'affectation des terres

L'agriculture à grande échelle est nécessaire pour produire de l'alcool agricole et cela nécessite des quantités importantes de terres cultivées. Des chercheurs de l'Université du Minnesota rapportent que si tout le maïs cultivé aux États-Unis était utilisé pour fabriquer de l'éthanol, il remplacerait 12 % de la consommation actuelle d'essence aux États-Unis. Certains prétendent que les terres pour la production d'éthanol sont acquises par le biais de la déforestation, tandis que d'autres ont observé que les zones abritant actuellement des forêts ne sont généralement pas adaptées à la culture. Dans tous les cas, l'agriculture peut entraîner une baisse de la fertilité des sols en raison de la réduction de la matière organique, une diminution de la disponibilité et de la qualité de l'eau, une augmentation de l'utilisation de pesticides et d'engrais et une dislocation potentielle des communautés locales. Les nouvelles technologies permettent aux agriculteurs et aux transformateurs de produire de plus en plus la même production en utilisant moins d'intrants.

La production d'éthanol cellulosique est une nouvelle approche qui peut atténuer l'utilisation des terres et les problèmes connexes. L'éthanol cellulosique peut être produit à partir de n'importe quelle matière végétale, doublant potentiellement les rendements, dans le but de minimiser les conflits entre les besoins alimentaires et les besoins en carburant. Au lieu d'utiliser uniquement les sous-produits de l'amidon provenant du broyage du blé et d'autres cultures, la production d'éthanol cellulosique maximise l'utilisation de toutes les matières végétales, y compris le gluten. Cette approche aurait une empreinte carbone plus faible car la quantité d'engrais et de fongicides énergivores reste la même pour une production plus élevée de matériau utilisable. La technologie de production d'éthanol cellulosique est actuellement en phase de commercialisation .

Utiliser la biomasse pour l'électricité au lieu de l'éthanol

Selon une analyse publiée dans Science en mai 2009, la conversion de la biomasse en électricité pour recharger les véhicules électriques pourrait être une option de transport plus « respectueuse du climat » que l'utilisation de la biomasse pour produire de l'éthanol. l'éthanol et les batteries de véhicules avancées.

Coûts pour la santé des émissions d'éthanol

Pour chaque milliard de gallons d'équivalent éthanol de carburant produit et brûlé aux États-Unis, les coûts combinés du changement climatique et de la santé sont de 469  millions de dollars pour l'essence, de 472 à 952  millions de dollars pour l'éthanol de maïs selon la source de chaleur de la bioraffinerie (gaz naturel, tige de maïs ou charbon) et la technologie, mais seulement 123 à 208  millions de dollars pour l'éthanol cellulosique selon la matière première (biomasse des prairies, Miscanthus, tige de maïs ou panic raide).

Efficacité des cultures courantes

À mesure que les rendements en éthanol s'améliorent ou que différentes matières premières sont introduites, la production d'éthanol peut devenir plus économiquement réalisable aux États-Unis. Actuellement, des recherches sur l'amélioration des rendements en éthanol de chaque unité de maïs sont en cours grâce à la biotechnologie. Aussi, tant que les prix du pétrole restent élevés, l'utilisation économique d'autres matières premières, telles que la cellulose , devient viable. Les sous-produits tels que la paille ou les copeaux de bois peuvent être convertis en éthanol. Les espèces à croissance rapide comme le panic raide peuvent être cultivées sur des terres qui ne conviennent pas à d'autres cultures commerciales et produisent des niveaux élevés d'éthanol par unité de surface.

Recadrer Rendement annuel (litres/hectare, gal US/acre) Économies de gaz à effet de serre
vs essence [a]
Résistance au froid

Limite de zone

Chaud

Limite de zone de rusticité

commentaires
Canne à sucre 6 800 à 8 000 L/ha,
727 à 870 gal/acre
87 % à 96 % 9 13 Graminée annuelle de longue saison. Utilisé comme matière première pour la plupart du bioéthanol produit au Brésil. Les usines de transformation plus récentes brûlent les résidus non utilisés pour l'éthanol afin de produire de l'électricité. Ne pousse que dans les climats tropicaux et subtropicaux.
Miscanthus 7300 L/ha,
780 gal/acre
37 % à 73 % 5 9 Graminée vivace à faible apport. La production d'éthanol dépend du développement de la technologie cellulosique.
Le panic raide 3100-7600 L/ha,
330-810 gal/acre
37 % à 73 % 5 9 Graminée vivace à faible apport. La production d'éthanol dépend du développement de la technologie cellulosique. Efforts de sélection en cours pour augmenter les rendements. Production de biomasse plus élevée possible avec des espèces mixtes de graminées vivaces.
Peuplier 3700-6000 L/ha,
400-640 gal/acre
51 % à 100 % 3 9 Arbre à croissance rapide. La production d'éthanol dépend du développement de la technologie cellulosique. L'achèvement du projet de séquençage génomique aidera les efforts de sélection pour augmenter les rendements.
Sorgho doux 2500–7000 L/ha,
270–750 gal/acre
Pas de données 9 12 Graminée annuelle à faible apport. Production d'éthanol possible grâce à la technologie existante. Pousse dans les climats tropicaux et tempérés, mais les estimations de rendement d'éthanol les plus élevées supposent plusieurs cultures par an (possible uniquement dans les climats tropicaux). Ne se conserve pas bien.
Maïs 3100-4000 L/ha,
330-424 gal/acre
10 % à 20 % 4 8 Graminée annuelle à haut apport. Utilisé comme matière première pour la plupart du bioéthanol produit aux États-Unis. Seuls les noyaux peuvent être traités à l'aide de la technologie disponible ; le développement de la technologie cellulosique commerciale permettrait d'utiliser la canne et d'augmenter le rendement en éthanol de 1 100 à 2 000 litres/ha.
Betterave à sucre 6678 L/ha,

714 gal/acre

Pas de données 2 dix Cultivé comme culture éthanolique en France.
Manioc 3835 L/ha,

410 gal/acre

Pas de données dix 13 Cultivé comme culture d'éthanol au Nigeria.
Blé 2591 L/ha,

277 gal/acre

Pas de données 3 12 Cultivé comme culture éthanolique en France.
Source (sauf celles indiquées) : Nature 444 (7 décembre 2006) : 673-676.
[a] – Économies d' émissions de GES en supposant qu'il n'y ait pas de changement d'affectation des terres (en utilisant les terres cultivées existantes).

Réduction des importations et des coûts de pétrole

Une justification donnée pour la production extensive d'éthanol aux États-Unis est son avantage pour la sécurité énergétique , en déplaçant le besoin d'une partie du pétrole produit à l'étranger vers des sources d'énergie produites dans le pays. La production d'éthanol nécessite une quantité importante d'énergie, mais la production américaine actuelle tire la majeure partie de cette énergie du charbon, du gaz naturel et d'autres sources, plutôt que du pétrole. Étant donné que 66 % du pétrole consommé aux États-Unis est importé, par rapport à un excédent net de charbon et à seulement 16 % de gaz naturel (chiffres de 2006), le déplacement des carburants à base de pétrole vers l'éthanol produit un déplacement net de l'étranger vers les États-Unis domestiques. sources d'énergie.

Selon une analyse réalisée en 2008 par l'Iowa State University, la croissance de la production d'éthanol aux États-Unis a fait baisser les prix de détail de l'essence de 0,29 $US à 0,40 $US le gallon par rapport à ce qui aurait été autrement le cas.

Sport automobile

Leon Duray s'est qualifié troisième pour la course automobile Indianapolis 500 de 1927 avec une voiture à éthanol. La série IndyCar a adopté un mélange d'éthanol à 10 % pour la saison 2006, et un mélange à 98 % en 2007.

Le championnat de voitures de sport American Le Mans Series a introduit l'E10 au cours de la saison 2007 pour remplacer l'essence pure. Au cours de la saison 2008, E85 a été autorisé dans la classe GT et les équipes ont commencé à y passer.

En 2011, les trois séries nationales de stock-cars NASCAR ont imposé le passage de l'essence à l'E15, un mélange de carburant de course sans plomb Sunoco GTX et de 15 % d'éthanol.

Le championnat australien V8 Supercar utilise le Shell E85 pour son carburant de course.

Stock Car Brasil Championship fonctionne à l'éthanol pur, E100.

Le carburant éthanol peut également être utilisé comme carburant pour fusée . Depuis 2010, de petites quantités d'éthanol sont utilisées dans les avions légers de course de fusées .

Combustible de cuisson de remplacement

Gaia Project est une US non gouvernementale , à but non lucratif organisation impliquée dans la création d'un marché domestique commercialement viable pour les carburants à base d' alcool en Ethiopie et d' autres pays dans le monde en développement . Le projet considère les carburants à base d'alcool comme une solution aux pénuries de carburant, aux dommages environnementaux et aux problèmes de santé publique causés par la cuisine traditionnelle dans les pays en développement. Ciblant les communautés pauvres et marginalisées confrontées à des problèmes de santé en cuisinant sur des feux polluants, Gaia travaille actuellement en Éthiopie , au Nigéria , au Brésil , en Haïti et à Madagascar , et est en phase de planification de projets dans plusieurs autres pays.

Recherche

Usine d'éthanol dans le comté de Turner , Dakota du Sud

La recherche sur l'éthanol se concentre sur des sources alternatives, de nouveaux catalyseurs et procédés de production. INEOS produisait de l'éthanol à partir de matières végétales et de déchets de bois. La bactérie E.coli, lorsqu'elle est génétiquement modifiée avec des gènes et des enzymes du rumen de vache, peut produire de l'éthanol à partir de tiges de maïs . Les autres matières premières potentielles sont les déchets municipaux, les produits recyclés, les balles de riz , la bagasse de canne à sucre , les copeaux de bois, le panic raide et le dioxyde de carbone .

Bibliographie

  • J. Goettemoeller ; A. Goettemoeller (2007). Éthanol durable : biocarburants, bioraffineries, biomasse cellulosique, véhicules à carburant flexible et agriculture durable pour l'indépendance énergétique (compte rendu bref et complet de l'histoire, de l'évolution et de l'avenir de l'éthanol) . Éditions de chêne de prairie, Maryville, Missouri. ISBN 978-0-9786293-0-4.
  • Onuki, Shinnosuke ; Koziel, Jacek A.; van Leeuwen, Johannes; Jenks, William S. ; Grewell, David; Cai, Lingshuang (juin 2008). Techniques de production, de purification et d'analyse d'éthanol : une revue . 2008 Réunion internationale annuelle de l'ASABE. Providence, Rhode Island . Consulté le 16 février 2013 .
  • L'Institut Worldwatch (2007). Biocarburants pour le transport : potentiel mondial et implications pour l'énergie et l'agriculture (Vue globale, comprend des études de cas sur le Brésil, la Chine, l'Inde et la Tanzanie) . Londres, Royaume-Uni : Earthscan Publications. ISBN 978-1-84407-422-8.

Voir également

Les références

Liens externes