© ifp-2003 1 loffre alternative de carburants à long terme : gas to liquid, liquefaction du...
TRANSCRIPT
1
© I
FP
-200
3
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
2
© I
FP
-200
3
• 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
3
© I
FP
-200
3
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
4
© I
FP
-200
3
Des résultats très importants en matière de pollution locale
0
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
5
© I
FP
-200
3
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
6
© I
FP
-200
3
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
7
© I
FP
-200
3
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
Les carburants alternatifs d’aujourd’hui
8
© I
FP
-200
3
Les biocarburants
Les carburants alternatifs d’aujourd’hui
9
© I
FP
-200
3
• 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
Les carburants alternatifs d’aujourd’hui
L’éthanol
10
© I
FP
-200
3
• 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
Les carburants alternatifs d’aujourd’hui
11
© I
FP
-200
3
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
Les carburants alternatifs d’aujourd’hui
12
© I
FP
-200
3
Les biocarburants
Les carburants alternatifs d’aujourd’hui
13
© I
FP
-200
3
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
Les carburants alternatifs d’aujourd’hui
14
© I
FP
-200
3
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
Les carburants alternatifs d’aujourd’hui
Principale limite : le coût
15
© I
FP
-200
3
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
Les carburants alternatifs d’aujourd’hui
Principale limite : la compétition avec l’alimentaire
16
© I
FP
-200
3
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
Alimentation animale
Marché de valorisation des co-produits
Alimentation,
cosmétique, etc.
Alimentation animale
Les biocarburants
Les carburants alternatifs d’aujourd’hui
17
© I
FP
-200
3
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
18
© I
FP
-200
3
Les carburants alternatifs de demainLes biocarburants
19
© I
FP
-200
3
•• 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
Les carburants alternatifs de demainLes biocarburants
20
© I
FP
-200
3
• 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
Les carburants alternatifs de demainLes biocarburants
21
© I
FP
-200
3
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
22
© I
FP
-200
3
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
Les carburants alternatifs de demainLes carburants de synthèse
23
© I
FP
-200
3
• 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
Les carburants alternatifs de demainLes carburants de synthèse
•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
25
© I
FP
-200
3
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
26
© I
FP
-200
3
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
27
© I
FP
-200
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)
L’hydrogèneLes carburants alternatifs de demain
28
© I
FP
-200
3
$/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 $/kg en 2015.
Les carburants alternatifs de demainL’hydrogène
29
© I
FP
-200
3
Source : Directed Technologies
?
L’hydrogèneLes carburants alternatifs de demain
30
© I
FP
-200
3
L’hydrogèneLes carburants alternatifs de demain
Évolution de la demande mondiale de platine avec une réduction à 0,2 g/kw (/5 à 10 par rapport à aujourd’hui) du contenu en platine des PAC
Source : TIAX, Décembre 2003
31
© I
FP
-200
3
Les optimistes : Chevrontexaco
32
© I
FP
-200
3
Les optimistes : Chevrontexaco
33
© I
FP
-200
3
Les pessimistes :Exxonmobil
34
© I
FP
-200
3
35
© I
FP
-200
3
Quel avenir énergétique dans les transports ?
Moyen terme : carburant liquide et hybridation des véhicules
• brut conventionnel/non-conventionnels
• biocarburants (EMHV, Éthanol, BtL)
• GTL/CTL
Long terme :
• H2/électricité
36
© I
FP
-200
3
MCI : 45 170 215 H2+PAC+Moteur : 60 273 343
Batterie avancée + Moteur : 383 73 456
Masse kg
Comparaison pour un véhicule de 75 kw d’une autonomie de 600 km
Quel avenir énergétique dans les transports ?
Source IFP & EUCAR/JRC/CONCAWE 2004
Stockage d’énergie
Convertisseur Total
37
© I
FP
-200
3-
5 000
10 000
15 000
20 000
Amérique duNord
Europe del'ouest
Japon Reste du monde Total
51%
35%
8%
AmmoniaqueRaffinageMéthanolAutres
Production
Captive
PipelineEn bouteille/liquide
Production
Marchande
109 SCF 20’000 G.SCF = 535 G.Nm3 = 48 M.tH2 = 138 M.TEP
L’industrie existanteProduction
Production H2
38
© I
FP
-200
3
39
© I
FP
-200
3
0
10
20
30
40
50
60
70
0 5 10 15 20 25
Prix de l'énergie ($/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
40
© I
FP
-200
3
L’industrie existanteLes différents modes de distribution
Source : Air Liquide
41
© I
FP
-200
3
L’industrie existanteEnviron 2500 + km de pipelines dans le monde
Source : Air Liquide
42
© I
FP
-200
3
L’industrie existanteEnviron 2500 + km de pipelines dans le monde
Source : Air Liquide
43
© I
FP
-200
3
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
34
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
44
© I
FP
-200
3
Les piles à combustiblesPile PEMFC alimentée en H2 : description du fonctionnement
Les nouveaux challenges
45
© I
FP
-200
3
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
Les nouveaux challenges
46
© I
FP
-200
3
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
Les nouveaux challenges
Solide Liquide Gazeux
47
© I
FP
-200
3
Principales opérations de démonstration « stations services » dans le monde : États-Unis
Arriver à bâtir une infrastructure
Les nouveaux challenges
48
© I
FP
-200
3
Principales opérations de démonstration « stations services » dans le monde : le Japon
Arriver à bâtir une infrastructure
Les nouveaux challenges
49
© I
FP
-200
3
Principales opérations de démonstration « stations services » dans le monde : Europe (projet CUTE)
Arriver à bâtir une infrastructureLes nouveaux challenges