Carburant à l’éthanol

Le carburant à l’éthanol est de l’alcool éthylique, le même type d’alcool que les boissons alcoolisées, utilisé comme carburant. Il est le plus souvent utilisé comme carburant, principalement comme additif pour biocarburant dans 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 telle que le maïs ou la canne à sucre. La production mondiale d’éthanol pour le carburant de transport a triplé entre 2000 et 2007, passant de 17 × 109 litres (4,5 × 109 gallons américains; 3,7 × 109 impaux) à plus de 52 × 109 litres (1,4 × 1010 gallons américains). De 2007 à 2008, la part de l’éthanol dans la consommation mondiale d’essence a augmenté de 3,7% à 5,4%. En 2011, la production mondiale de carburant à l’éthanol a atteint 8,46 × 1010 litres (2,23 × 1010 US; 1,86 × 1010 US $), les États-Unis d’Amérique et le Brésil étant les principaux producteurs représentant respectivement 62,2% et 25% de la production mondiale. La production d’éthanol aux États-Unis a atteint 57,54 × 109 litres (1,520 × 1010 gallons américains; 1,266 × 1010 gallons impériaux) en 2017-04.

Le carburant à l’éthanol a une valeur “d’équivalent gallon d’essence” (GGE) de 1,5; autrement dit, pour remplacer l’énergie d’un volume d’essence, 1,5 fois le volume d’éthanol est nécessaire.

Le carburant à base d’éthanol est largement utilisé au Brésil, aux États-Unis et en Europe (voir aussi Carburant à l’éthanol par pays). Aux États-Unis, la plupart des voitures actuellement en circulation peuvent être alimentées avec des mélanges contenant jusqu’à 10% d’éthanol, et l’éthanol représentait 10% de l’approvisionnement en carburant des États-Unis à partir de sources nationales en 2011. De plus, de nombreuses voitures sont aujourd’hui des véhicules à carburant flexible. utiliser 100% d’éthanol.

Depuis 1976, le gouvernement brésilien a rendu obligatoire le mélange d’éthanol et d’essence. Depuis 2007, le mélange légal est d’environ 25% d’éthanol et 75% d’essence (E25). En décembre 2011, le Brésil disposait d’une flotte de 14,8 millions d’automobiles et de camions légers à carburant modulable et de 1,5 million de motocycles à carburant modulable qui utilisaient régulièrement de l’essence à l’éthanol pur (connue sous le nom de E100).

Le bioéthanol est une forme d’énergie renouvelable pouvant 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 de nombreux débats sur l’utilité du bioéthanol pour remplacer l’essence. Les préoccupations concernant sa production et son utilisation sont liées à la hausse des prix des denrées alimentaires due à la grande quantité de terres arables nécessaire aux cultures, ainsi qu’au bilan énergétique et polluant de l’ensemble du cycle de production d’éthanol, notamment à partir de maïs. Les développements récents concernant la production et la commercialisation d’éthanol cellulosique pourraient dissiper certaines de ces préoccupations.

L’éthanol cellulosique est prometteur car les fibres de cellulose, composant majeur et universel des parois des cellules végétales, peuvent être utilisées pour produire de l’éthanol. Selon l’Agence internationale de l’énergie, l’éthanol cellulosique pourrait permettre aux carburants à l’éthanol de jouer un rôle beaucoup plus important à l’avenir.

Chimie
Au cours de la fermentation éthanolique, le glucose et les autres sucres du maïs (ou de la canne à sucre ou d’autres cultures) sont convertis en éthanol et en dioxyde de carbone.

6 H 12 O 6 → 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2 + chaleur
La fermentation éthanolique n’est pas sélective à 100% avec des produits secondaires tels que l’acide acétique et les glycols. Ils sont principalement 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.

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

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 nécessite toutefois un prétraitement qui divise la cellulose en molécules de glucose et autres sucres pouvant ensuite être fermentés. Le produit résultant est appelé éthanol cellulosique, ce qui indique sa source.

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

2 H 4 + H 2 O → C 2 H 5 OH
La plupart de l’éthanol est produit par fermentation.

Sources
Environ 5% de l’éthanol produit dans le monde en 2003 était en réalité un produit pétrolier. Il est obtenu par 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 d’une matière première 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 restitués 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, le grain, le panic raide, l’orge, le chanvre, le kénaf, la pomme de terre, la manioc, le tournesol, le fruit, la mélasse, le maïs et le fourrage. céréales, blé, paille, coton, autres biomasses, ainsi que de nombreux types de déchets de cellulose et de récolte, selon la méthode la mieux cotée pour évaluer le puits.

Un autre procédé de production de bioéthanol à partir d’algues est en cours de développement par la société Algenol. Plutôt que de cultiver des algues, puis de les récolter et de les fermenter, les algues se développent à la lumière du soleil et produisent directement de l’éthanol, qui est éliminé sans tuer les algues. On prétend que le procédé 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 gallons par acre; 3 700 L / ha) pour la production de maïs.

Actuellement, les procédés de première génération pour la 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 du grain sec, est transformé. en éthanol.Deux types de processus de deuxième génération sont en cours de développement. Le premier type utilise des enzymes et la fermentation de levure pour convertir la cellulose végétale en éthanol, tandis que le second utilise la pyrolyse pour convertir la plante entière en bio-huile liquide ou en gaz synthétique. Les procédés de deuxième génération peuvent également être utilisés avec des plantes telles que des herbes, du bois ou des déchets agricoles tels que la paille.

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

Les étapes de base pour la production d’éthanol à grande échelle sont les suivantes: fermentation microbienne (levure) des sucres, distillation, déshydratation (les exigences varient, voir Mélanges de carburant 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 Ethanol 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 que directement avec les sucres. Deux composants principaux des plantes, l’amidon et la cellulose, sont tous deux fabriqués à partir de sucres et peuvent, en principe, être convertis en sucres destinés à la fermentation. Actuellement, seules les portions sucre (par exemple, la canne à sucre) et amidon (par exemple, le maïs) peuvent être converties de manière économique.Il y a beaucoup d’activité dans le domaine de l’éthanol cellulosique, où la partie cellulose d’une plante est décomposée en sucres puis convertie en éthanol.

Distillation
Pour que l’éthanol puisse être utilisé comme carburant, il faut éliminer les solides de levure et la majorité de l’eau. Après la fermentation, le moût est chauffé de manière à ce que l’éthanol s’évapore.Ce procédé, appelé 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 une teneur maximale en éthanol de 95,6% m / m (96,5% v / v). 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. Par conséquent, la fraction d’eau est éliminée lors d’un traitement supplémentaire pour être combinée à l’essence dans les moteurs à essence. .

Déshydratation
Il existe trois procédés de déshydratation pour éliminer l’eau d’un mélange azéotropique d’éthanol et d’eau. Le premier procédé, utilisé dans de nombreuses usines de production d’éthanol à base de combustible, 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 dans un équilibre vapeur-liquide-liquide qui, une fois distillé, produit de l’éthanol anhydre au fond de la colonne et un mélange vapeur de l’eau, de l’éthanol et du cyclohexane / benzène.

Lorsque condensé, cela devient un mélange liquide à deux phases. La phase la plus lourde, pauvre en entraîneur (benzène ou cyclohexane), est extraite de l’entraîneur et recyclée dans l’alimentation, tandis que la phase plus légère, avec le condensat provenant de l’extraction, est recyclée dans la deuxième colonne. Une autre méthode récente, 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 dans le flux supérieur de la colonne.

Avec l’attention croissante portée aux économies d’énergie, de nombreuses méthodes ont été proposées pour éviter toute distillation pour la déshydratation. Parmi ces méthodes, une troisième est apparue et a été adoptée par la plupart des usines d’éthanol modernes. Ce nouveau procédé utilise des tamis moléculaires pour éliminer l’eau de l’éthanol. Dans ce processus, la vapeur d’éthanol sous pression traverse un lit de billes de tamis moléculaire. Les pores de la perle sont dimensionnés pour permettre l’adsorption d’eau tout en excluant l’éthanol. Après un certain temps, le lit est régénéré sous vide ou dans un flux d’atmosphère inerte (par exemple, N2) pour éliminer l’eau adsorbée. Deux lits sont souvent utilisés pour que l’un soit disponible pour adsorber de 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 kJ / 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 en phase liquide-liquide puisse contribuer à l’élimination de l’eau. Une configuration à deux étages à contre-courant de réservoirs mélangeur-décanteur peut permettre une récupération complète de l’éthanol dans la phase de carburant, avec une consommation d’énergie minimale.

Problèmes d’eau post-production
L’éthanol est hygroscopique, ce qui signifie qu’il absorbe la vapeur d’eau directement de l’atmosphère. Étant donné que l’eau absorbée dilue la valeur de carburant de l’éthanol et peut entraîner une séparation de phase des mélanges d’éthanol-essence (ce qui provoque un blocage du moteur), les récipients de carburant à l’éthanol doivent être maintenus hermétiquement fermés.Cette miscibilité élevée avec l’eau signifie que l’éthanol ne peut pas être acheminé efficacement par des conduites modernes, comme les hydrocarbures liquides, sur de longues distances.

La fraction d’eau qu’un carburant éthanol-essence peut contenir sans séparation de phase 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 représenter 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 à forte teneur en éthanol permet de placer l’E30 et l’éthanol hydraté dans le même réservoir, car leur combinaison entraîne toujours une phase unique. 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 jusqu’à environ 0,23% v / v à -34 ° C.

Systèmes de production grand public
Alors que les systèmes de production de biodiesel sont commercialisés depuis de nombreuses années auprès des particuliers et des entreprises, les systèmes de production d’éthanol commercialisés conçus pour le consommateur final ont pris du retard sur le marché. En 2008, deux sociétés différentes ont annoncé des systèmes de production d’éthanol à domicile. Le système de carburant avancé AFS125 d’Allard Research and Development peut 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 théoriquement, la combustion d’éthanol pur dans un véhicule permet de réduire le kilométrage par gallon américain de 34%, compte tenu de la même économie de carburant, par rapport à la combustion d’essence pure. Cependant, comme l’éthanol a un indice d’octane supérieur, le moteur peut être rendu plus efficace en augmentant son taux de compression. À l’aide d’un turbocompresseur à géométrie variable ou à double spirale, le taux de compression peut être optimisé pour le carburant, rendant l’économie de carburant presque constante pour tout mélange.

Pour l’E10 (10% d’éthanol et 90% d’essence), l’effet est faible (environ 3%) par rapport à l’essence classique et encore plus petit (1 à 2%) par rapport aux mélanges oxygénés et reformulés. Pour l’E85 (85% d’éthanol), l’effet devient significatif. Le E85 produit un kilométrage inférieur à celui de l’essence et nécessite un ravitaillement en carburant plus fréquent. Les performances réelles peuvent varier en fonction du véhicule. D’après les tests de l’EPA pour tous les modèles E85 2006, l’économie de carburant moyenne des véhicules E85 était de 25,56% inférieure à celle de l’essence sans plomb. Le kilométrage évalué par l’EPA des véhicules polycarburants actuels aux États-Unis devrait être pris en compte lors de la comparaison des prix, mais le E85 est un carburant haute performance, avec un indice d’indice d’indice d’indice d’octane d’environ 94–96, et devant être comparé à une prime.

Démarrage à froid pendant l’hiver
Les mélanges à haute teneur en éthanol posent un problème pour atteindre une pression de vapeur suffisante pour permettre au carburant de s’évaporer et d’allumer l’allumage par temps froid (étant donné que l’éthanol tend 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 polycarburant. sont optimisés pour fonctionner à un tel mélange. Aux États-Unis, le mélange d’éthanol utilisé dans les régions très froides bénéficie d’une réduction saisonnière du froid, mais il est toujours vendu sous forme de E85. Aux endroits où les températures descendent en dessous de -12 ° C (10 ° F) en hiver, il est recommandé d’installer un système de chauffage du moteur, à la fois pour l’essence et les véhicules E85. La Suède a une réduction saisonnière similaire, mais la teneur en éthanol dans le mélange est réduite à 75 E pendant les mois d’hiver.

Les véhicules brésiliens à carburant modulable 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 chute de la pression de vapeur plus rapide par rapport aux 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 centrale et méridionale du Brésil, où les températures descendent normalement en dessous de 15 ° C pendant l’hiver. Une génération améliorée de moteurs flexibles a été lancée en 2009, éliminant ainsi le besoin d’un réservoir de stockage de gaz secondaire. En mars 2009, Volkswagen do Brasil a lancé le Polo E-Flex, le premier modèle brésilien à carburant modulable sans réservoir auxiliaire pour le démarrage à froid.

Mélanges de carburant
Dans de nombreux pays, les voitures sont obligées de fonctionner avec des mélanges d’éthanol.Tous les véhicules légers brésiliens sont conçus pour fonctionner avec un mélange d’éthanol pouvant aller jusqu’à 25% (E25). Depuis 1993, une loi fédérale impose des mélanges contenant entre 22% et 25% d’éthanol, avec 25% requis à la mi-juillet 2011. Aux États-Unis, tous les véhicules légers sont conçus pour fonctionner normalement avec un mélange d’éthanol à 10% (E10). À la fin de 2010, plus de 90% de l’essence vendue aux États-Unis était mélangée à de l’éthanol. En janvier 2011, l’Environmental Protection Agency (EPA) des États-Unis a publié une dérogation autorisant la vente d’un maximum de 15% d’éthanol mélangé à de l’essence (E15) pour les voitures et les camionnettes légères modèles 2001 ou plus récents.

Depuis l’année modèle 1999, de plus en plus de véhicules dans le monde sont fabriqués avec des moteurs capables de fonctionner avec tous les carburants, de 0% à 100% d’éthanol sans modification. De nombreuses voitures et camions légers (une classe comprenant des mini-fourgonnettes, des VUS et des camionnettes) sont conçus pour être des véhicules à carburant flexible utilisant des mélanges d’éthanol à 85% (E85) en Amérique du Nord et en Europe et jusqu’à 100% (E100) au Brésil. . Dans les années de modèle antérieures, leurs systèmes de moteur contenaient des capteurs d’alcool dans le carburant et / ou d’oxygène dans les gaz d’échappement qui alimentaient l’ordinateur de commande du moteur afin de régler l’injection de carburant afin d’obtenir de l’air stochiométrique (pas de carburant restant ou d’oxygène libre dans les gaz d’échappement). rapport carburant-pour tout mélange de carburant. Dans les modèles plus récents, les capteurs d’alcool ont été retirés, l’ordinateur n’utilisant que les informations des capteurs d’oxygène et de débit d’air pour estimer la teneur en alcool. Le calculateur de contrôle du moteur peut également ajuster (avancer) le réglage de l’allumage pour obtenir une puissance plus élevée sans pré-allumage lorsqu’il prévoit que des pourcentages d’alcool supérieurs sont présents dans le carburant brûlé. Cette méthode est renforcée par des capteurs de cognement avancés, utilisés dans la plupart des moteurs à essence hautes performances, qu’ils soient conçus pour utiliser de l’éthanol ou non, qui détectent le pré-allumage et la détonation.

Autres configurations de moteur

Moteurs ED95
Depuis 1989, il existe également des moteurs à l’éthanol basés sur le principe du diesel fonctionnant en Suède. Ils sont principalement utilisés dans les autobus 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 (connu sous le nom de ED95) est un mélange de 93,6% d’éthanol et de 3,6% d’améliorant de l’allumage et de 2,8% de dénaturants. L’améliorant d’allumage permet au carburant de s’enflammer dans le cycle de combustion du diesel. Il est également possible d’utiliser l’efficacité énergétique du principe diesel avec de l’éthanol. Reading Buses a utilisé ces moteurs au Royaume-Uni, mais l’utilisation du bioéthanol est en train de disparaître progressivement.

Double injection directe
Une étude réalisée en 2004 par le MIT et un précédent article publié par la Society of Automotive Engineers ont identifié une méthode permettant d’exploiter les caractéristiques de l’éthanol pour carburant de manière substantiellement plus efficace que de la mélanger à de l’essence. La méthode présente la possibilité de tirer parti de l’utilisation de l’alcool pour obtenir une nette amélioration par rapport au rapport coût-efficacité de l’électricité hybride. L’amélioration consiste à utiliser une injection directe bicarburant d’alcool pur (ou de l’azéotrope ou E85) et d’essence, dans un rapport quelconque jusqu’à 100%, dans un moteur turbocompressé à faible cylindrée présentant un taux de compression élevé et 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 un rendement plus élevé) fonctionne à l’essence ordinaire dans des conditions de croisière à faible puissance. L’alcool est directement injecté dans les cylindres (et l’injection d’essence est simultanément réduite) uniquement lorsque cela est nécessaire pour supprimer le «choc», par exemple lors d’une accélération significative. L’injection directe dans les bouteilles élève jusqu’à 130 efficaces l’indice d’octane déjà élevé de l’éthanol. La réduction totale calculée de la consommation d’essence et des émissions de CO2 est de 30%. Le délai de récupération des coûts pour le consommateur montre une amélioration de 4: 1 par rapport au turbo-diesel et de 5: 1 par rapport au système hybride. Les problèmes d’absorption d’eau dans l’essence pré-mélangée (provoquant une séparation de phase), les problèmes d’approvisionnement dus à de multiples rapports de mélange et les démarrages par temps froid sont également évités.

Augmentation de l’efficacité thermique
Dans une étude de 2008, des commandes de moteur complexes et une recirculation accrue des gaz d’échappement permettaient un taux de compression de 19,5 avec des carburants allant de l’éthanol pur à l’E50. L’efficacité thermique jusqu’à environ celle d’un diesel a été atteinte. Cela se traduirait par une économie de carburant équivalente à celle d’un véhicule à l’éthanol brûlant.

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 fonctionnant à l’éthanol plutôt qu’à l’hydrogène, le carburant de prédilection des autres constructeurs automobiles ayant 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 coûteux et plus facile de déployer l’infrastructure de ravitaillement que de mettre en place l’infrastructure permettant de fournir de l’hydrogène à haute pression, car chaque poste de ravitaillement en hydrogène coûte entre 1 et 2 millions de dollars.

Environnement

Bilan énergétique
Toutes les biomasses passent par au moins certaines de ces étapes: elles doivent être cultivées, collectées, séchées, fermentées, distillées et brûlées. 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 de l’éthanol résultant est appelée bilan énergétique (ou “énergie restituée sur l’énergie investie”). Les chiffres compilés dans un rapport publié en 2007 par le National Geographic Magazine indiquent des résultats modestes pour l’éthanol de maïs produit aux États-Unis: une unité d’énergie issue de combustibles fossiles 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: une unité d’énergie issue de combustibles fossiles est nécessaire pour créer 8 à partir de l’éthanol. Les estimations du bilan énergétique n’étant pas faciles à produire, de nombreux rapports contradictoires ont été générés. Par exemple, une étude distincte indique que la production d’éthanol à partir de canne à sucre, qui nécessite un climat tropical pour une croissance productive, rapporte de 8 à 9 unités d’énergie pour chaque unité dépensée, par rapport au maïs, qui ne restitue qu’environ 1,34 unité d’énergie. pour chaque unité d’énergie dépensée. Une étude menée en 2006 par l’Université de Californie à Berkeley, après avoir analysé six études distinctes, a conclu que la production d’éthanol à partir de maïs consomme 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 qui grandissent pour produire la biomasse. Comparativement à l’essence, selon la méthode de production, l’éthanol libère moins de gaz à effet de serre.

La pollution de l’air
Comparé à l’essence sans plomb classique, l’éthanol est une source de carburant sans particules qui se consume avec de 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’oxygénés pour réduire les émissions de monoxyde de carbone aux États-Unis. L’additif MTBE étant en cours d’élimination en raison de la contamination des eaux souterraines, l’éthanol devient un additif attractif. Les méthodes de production actuelles incluent la pollution de l’air par le fabricant d’engrais macronutriments tels que l’ammoniac.

Une étude réalisée par des scientifiques de l’atmosphère à l’Université de Stanford a révélé que le carburant E85 augmenterait de 9% le risque de mortalité liée à la pollution atmosphérique par rapport à l’essence à Los Angeles, aux États-Unis. Il s’agit d’une très grande métropole urbaine et automobile. Les niveaux d’ozone sont considérablement augmentés, ce qui augmente le smog photochimique et aggrave les problèmes médicaux tels que l’asthme.

Gaz carbonique

Le calcul de la quantité exacte de dioxyde de carbone produite lors de la fabrication du bioéthanol est un processus complexe et inexact, qui dépend fortement de la méthode de production de l’éthanol et des hypothèses retenues dans le calcul. Un calcul devrait inclure:

Le coût de la croissance de la matière première
Le coût du transport de la matière première à l’usine
Le coût de la transformation de la matière première en bioéthanol

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

Le coût de la modification de l’utilisation des sols de la zone de production de la matière première utilisée comme combustible.
Le coût du transport du bioéthanol de l’usine à son point d’utilisation
L’efficacité du bioéthanol comparée à l’essence standard
La quantité de dioxyde de carbone produite au niveau du tuyau d’échappement.
Les avantages liés 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 relative aux carburants de transport renouvelables.

Une complication supplémentaire est que la production nécessite de cultiver un nouveau sol qui produit un rejet ponctuel de GES, ce qui peut prendre des décennies, voire des siècles, de réduction de la production d’émissions de GES pour s’équilibrer. À titre d’exemple, convertir des terres en herbe en production de maïs pour produire de l’éthanol nécessite environ un siècle d’économies annuelles pour compenser les émissions de gaz à effet de serre générées par le labour initial.

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

La production d’éthanol cellulosique est une nouvelle approche susceptible d’atténuer l’utilisation des terres et les problèmes connexes. L’éthanol cellulosique peut être produit à partir de n’importe quel matériau végétal, ce qui pourrait potentiellement doubler les rendements, dans le but de minimiser les conflits entre les besoins alimentaires et les besoins en combustibles. Au lieu d’utiliser uniquement les sous-produits d’amidon issus du broyage du blé et d’autres cultures, la production d’éthanol cellulosique optimise l’utilisation de toutes les matières végétales, y compris le gluten.Cette approche réduirait l’empreinte carbone du fait que la quantité d’engrais et de fongicides à forte intensité énergétique reste la même pour une plus grande production de matière 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
Convertir la biomasse en électricité pour recharger des véhicules électriques pourrait être une option de transport plus “écologique” que d’utiliser de la biomasse pour produire de l’éthanol, selon une analyse publiée dans Science en mai 2009 Les chercheurs continuent à rechercher des développements plus rentables à la fois en matière cellulosique éthanol et batteries de véhicules de pointe.

Coûts sanitaires des émissions d’éthanol
Pour chaque milliard de gallons de carburant produits et brûlés aux États-Unis, les coûts combinés du changement climatique et de la santé s’élèvent à 469 millions de dollars pour l’essence, de 472 à 952 millions de dollars pour l’éthanol de maïs, en fonction de la source de chaleur de la bioraffinerie (gaz naturel, fourrage de maïs). charbon) et de la technologie, mais seulement 123 à 208 millions de dollars pour l’éthanol cellulosique, en fonction de la matière première (biomasse des Prairies, Miscanthus, tiges de maïs ou panic raide).

Efficacité des cultures communes
À mesure que les rendements en éthanol s’améliorent ou que différentes matières premières sont introduites, la production d’éthanol peut devenir plus rentable aux États-Unis. La biotechnologie est en cours de recherche sur l’amélioration des rendements en éthanol de chaque unité de maïs. En outre, 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 telles que le panic raide peuvent être cultivées sur des terres ne convenant pas aux autres cultures commerciales et produisent des niveaux élevés d’éthanol par unité de surface.

Surgir Rendement annuel (litres / hectare, US gal / acre) Économies de gaz à effet de serre
vs essence [a]
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Canne à sucre 6800–8000 L / ha,
727–870 g / acre
87% -96% Herbe annuelle longue saison. Utilisé comme matière première pour la plupart du bioéthanol produit au Brésil. Les usines de traitement les plus récentes brûlent les résidus non utilisés pour la production d’éthanol par l’éthanol. Ne pousse que dans les climats tropicaux et subtropicaux.
Miscanthus 7300 L / ha,
780 g / acre
37% à 73% Plante vivace à faibles apports. La production d’éthanol dépend du développement de la technologie cellulosique.
Panic raide 3100–7600 L / ha,
330 à 810 g / acre
37% à 73% Plante vivace à faibles apports. La production d’éthanol dépend du développement de la technologie cellulosique. Efforts d’amélioration en cours pour augmenter les rendements. Production de biomasse plus élevée possible avec des espèces mixtes d’herbes vivaces.
Peuplier 3700–6000 L / ha,
400 à 640 g / acre
51% à 100% Arbre à croissance rapide. La production d’éthanol dépend du développement de la technologie cellulosique. La réalisation du projet de séquençage génomique contribuera aux efforts de sélection visant à augmenter les rendements.
Sorgho doux 2500 à 7000 L / ha,
270–750 g / acre
Pas de données Herbe annuelle à faibles intrants. Production d’éthanol possible avec 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 stocke pas bien.
Blé 3100–4000 L / ha,
330 à 424 g / acre
10% à 20% Herbe annuelle à forte teneur en intrants. 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 pâte et d’augmenter le rendement en éthanol de 1 100 à 2 000 litres / ha.
Source: Nature 444 (7 décembre 2006): 673–676. 
– Réduction des émissions de GES en supposant que l’utilisation des terres ne change pas (en utilisant les terres cultivées existantes).

Importations et coûts de pétrole réduits
L’une des raisons avancées pour expliquer la production extensive d’éthanol aux États-Unis est son avantage pour la sécurité énergétique, en transférant le besoin d’une certaine quantité de pétrole produit à l’étranger vers des sources d’énergie produites dans le pays. La production d’éthanol nécessite beaucoup d’énergie, mais la production actuelle des États-Unis provient principalement 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, comparé à un excédent net de charbon et à seulement 16% de gaz naturel (chiffres de 2006), le remplacement des combustibles à base de pétrole par de l’éthanol entraîne un déplacement net des États-Unis vers l’étranger. sources d’énergie.

Selon une analyse effectuée en 2008 par l’Iowa State University, la croissance de la production d’éthanol aux États-Unis a entraîné une baisse des prix de l’essence au détail de 0,29 USD à 0,40 USD par gallon par rapport à ce qu’elle aurait été autrement.

Recherche
La recherche sur l’éthanol se concentre sur les sources alternatives, les nouveaux catalyseurs et les processus de production. INEOS a produit de l’éthanol à partir de matière végétale et de déchets de bois. La bactérie E. coli, lorsqu’elle est génétiquement modifiée avec des gènes et des enzymes du rumen de la vache, peut produire de l’éthanol à partir de la tige 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.