le bioethanol carburant - ValBiom

LE BIOETHANOL CARBURANT
ETUDES TECHNIQUE
ET
DES POSSIBILITES DE
DEVELOPPEMENT DU MARCHE
EN BELGIQUE
Olivia Schoeling
Juillet 2006
0

Bioéthanol
1 INTRODUCTION..................................................................................................................................................................3
2 CARACTERISTIQUES TECHNIQUES ........................................................................................................................3
2.1 ETHANOL/ESSENCE.........................................................................................................................................................4
2.1.1 Stabilité des mélanges..............................................................................................................................................4
2.1.2 Indice d'octane..........................................................................................................................................................5
2.1.3 Contenu énergétique................................................................................................................................................5
2.1.4 Pression de vapeur...................................................................................................................................................5
2.2 ETBE/ESSENCE ...............................................................................................................................................................6
2.3 ETHANOL/DIESEL............................................................................................................................................................7
2.3.1 Stabilité des mélanges..............................................................................................................................................7
2.3.2 Indice de cétane........................................................................................................................................................8
2.3.3 Viscosité.....................................................................................................................................................................8
2.3.4 Contenu en énergie...................................................................................................................................................9
2.3.5 Point flash .................................................................................................................................................................9
2.4 ETHANOL/BIODIESEL/DIESEL......................................................................................................................................10
2.5 TABLEAU RECAPITULATIF...........................................................................................................................................11
3 COMPATIBILITE VEHICULE/CARBURANT....................................................................................................... 12
3.1 MOTEURS A ESSENCE ...................................................................................................................................................12
3.1.1 Ethanol/essence..................................................................................................................................................... 12
3.1.2 ETBE/essence......................................................................................................................................................... 13
3.2 MOTEURS DIESEL..........................................................................................................................................................13
3.2.1 E-diesel.................................................................................................................................................................... 13
3.2.2 E95........................................................................................................................................................................... 13
3.2.3 Ethanol/biodiesel/diesel....................................................................................................................................... 14
4 EMISSIONS.......................................................................................................................................................................... 14
4.1 MOTEURS A ESSENCE ...................................................................................................................................................14
4.2 MOTEURS DIESEL..........................................................................................................................................................16
4.2.1 Ethanol/diesel......................................................................................................................................................... 16
4.2.2 Ethanol/biodiesel/diesel....................................................................................................................................... 17
4.2.3 E95........................................................................................................................................................................... 17
5 EXPERIENCES A L'ETRANGER ................................................................................................................................ 18
5.1 E5 – E10 – E25 (BRESIL).............................................................................................................................................18
5.2 E85 – VFF (SUEDE, FRANCE).....................................................................................................................................18
5.3 E95 – BUS DE STOCKHOLM (SUEDE)..........................................................................................................................18
5.4 EDIESEL – SCANIA (DANEMARK)...............................................................................................................................19
6 CONCLUSION ETUDE TECHNIQUE ....................................................................................................................... 20
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Bioéthanol
7 DEVELOPPEMENT DU MARCHE EN BELGIQUE............................................................................................. 21
7.1 PRODUCTEURS ET DISTRI BUTEURS DE CARBURANT S FOSSILES EN BELGIQUE....................................................21
7.2 MARCHE DE L'ESSENCE ET DU DIESEL EN BELGIQUE..............................................................................................22
7.3 PRODUCTION D'ETHANOL ET D’ETBE.......................................................................................................................23
7.4 DISTRIBUTION DES MELANGES ETHANOL/ESSENCE ET ETBE/ESSENCE ...............................................................23
7.5 POSSIBILITES DE DEVELOPPEMENT DE FILIERES ISSUES DE L’ETHANOL EN BELGIQUE.....................................24
7.5.1 L'ETBE dans toutes les essences......................................................................................................................... 24
7.5.2 Marché de l'E85 et des VFF................................................................................................................................ 24
7.5.3 L'E95 dans les transports en commun ............................................................................................................... 25
7.5.4 L'E-diesel dans les camions................................................................................................................................. 26
8 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ...................................................................................................................... 27
Glossaire
BE20 : mélange éthanol:biodiesel:diesel (5:20:75)
C, CO, CO 2 : carbone, monoxyde de carbone, dioxyde de carbone
E5 : mélange d’essence et d’éthanol à 5%
Exx : mélange d’essence et d’éthanol compris entre 0 et 85% d’éthanol
ETBE : éthyl tertio butyl éther
H, HC : hydrogène, hydrate de carbone
M : million
MON : motor octane number
NO x : oxydes d’azote
O 2 : oxygène
PCI : pouvoir calorifique inférieur
RON : research octane number
SP95, SP98 : essence sans plomb 95 ou 98 octane
SO 2 : dioxyde de soufre
Tep : tonne équivalent pétrole
UPTR : Union professionnelle du Transport par Route
VFF : véhicule flexi-fuel
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Bioéthanol
1 Introduction
Ce document a pour but de rapporter d'une part les caractéristiques techniques de l'éthanol
utilisé comme carburant, encore nommé bioéthanol, l'émission de polluants liée à sa
combustion, et des exemples d'utilisation en tant que carburant à l'étranger.
D'autre part, les possibilités de développement du marché de l'éthanol carburant en Belgique
seront explorées.
Ce rapport s'inscrit dans le cadre de l'actualité belge avec la prochaine clôture de l'appel
d'offres pour la production de biodiesel et de bioéthanol en Belgique. Il existe en outre une
opposition entre le potentiel de production d’éthanol et la diminution constante du marché de
l’essence, incitant au développement d’alternatives à l’incorporation de 7% vol d’éthanol à
l’essence.
2 Caractéristiques techniques
Le bioéthanol est utilisé dans les moteurs à essence, pur ou en mélange à l'essence en
diverses concentrations. Il peut également être brûlé dans les moteurs diesel sous forme
d'E95 (éthanol à 95%) ou mélangé au diesel, pour former de l'E-diesel. Des développements
sont encore menés sur l'E-diesel.
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Bioéthanol
2.1 Ethanol/essence
Les propriétés physiques de l'éthanol sont présentées au tableau 1.
Tableau 1. Propriétés physiques de l'éthanol, l'ETBE et de l'essence standard (Ballerini et Alazard-Toux, 2006; Jossart
et al., 2005)
Propriété Ethanol Essence standard ETBE
Masse molaire (g/mol) 46,07 102,5 102
C (% poids) 52,2 86,5 70,6
H (% poids) 13,1 13,5 13,7
O (% poids) 34,7 2,7 max 15,7
Masse volumique (kg/m³) 794 735 – 760 750
Chaleur latente de vaporisation 854 289 321
(kJ/kg) 1
Point d'ébullition (°C) 78,4 30 – 190 72,8
PCI * massique (kJ/kg) 26 805 42 690 35 880
PCI * volumique (kJ/l) 21 285 32 020 26 910
Rapport stoechiométrique ** 8,95 14,5 12,1
RON *** 120 – 130 95 min 108 – 112
MON **** 96 – 100 85 min 96 - 100
Tension de vapeur (kPa) 200 60 45
* Pouvoir calorifique inférieur
** rapport air/éthanol ou air/hydrocarbures des essences, calculé à partir de l'équation stoechiométrique de combustion de l'éthanol ou des essences
*** Indice d'octane recherche
**** Indice d'octane moteur
2.1.1 Stabilité des mélanges
Par nature, le mélange d'éthanol avec des hydrocarbures n'est pas stable en présence d'eau.
En effet, l'eau présente dans les essences contenant de faibles teneurs en éthanol peut
provoquer une démixtion du carburant, avec pour résultat la formation de deux phases :
l'une contenant l'eau et une grande partie de l'éthanol et l'autre contenant l'essence et une
petite fraction d'éthanol. Ce phénomène peut être évité en contrôlant l'humidité lors du
stockage du carburant ou en ajoutant un co-solvant, le tertiobutylalcool (TBA) (Ballerini et
Alazard-Toux, 2006). L’E85 ne présente pas ce phénomène, l’eau étant soluble dans
l’éthanol.
1 La chaleur latente de vaporisation est la quantité d'énergie nécessaire pour qu'une unité de
masse d'un corps change d'état (de liquide à gaz). La transformation a lieu à température (en
l'occurrence, température d'ébullition) et pression constantes. Cette absorption d'énergie par
le liquide (ici, l'éthanol), provoque le refroidissement de son environnement (ici, la chambre
de combustion). C'est ce qu'on appelle le cooling effect.
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Bioéthanol
2.1.2 Indice d'octane
L'indice d'octane 2 de l'éthanol est très élevé. L'ajout d'éthanol à l'essence sans plomb permet
d'améliorer ce paramètre. Il en résulte une importante résistance au cliquetis du moteur. Par
ailleurs, cela permet également une optimisation du fonctionnement du moteur en termes de
taux de compression, d'avance à l'allumage (Ballerini et Alazard-Toux, 2006) et
d'amélioration du rendement du moteur.
2.1.3 Contenu énergétique
L'éthanol est un alcool, c'est-à-dire une chaîne carbonée contenant de l'oxygène (O 2 ). La
présence d'O 2 réduit son contenu énergétique par rapport à l'essence et augmente en
conséquence la consommation de carburant (Ballerini et Alazard-Toux, 2006). Dans le
tableau 1, on voit clairement que le pouvoir calorifique inférieur de l'éthanol est bien inférieur
à celui de l'essence.
2.1.4 Pression de vapeur
Une conséquence du mélange éthanol/essence est la formation d'azéotropes 3
éthanol/hydrocarbures légers qui provoque une augmentation de la pression de vapeur 4
(Ballerini et Alazard-Toux, 2006).
La figure 1 présente l'évolution de la tension (ou pression) de vapeur de l'essence contenant
des concentrations en éthanol variant de 0 à 100% vol . L'ajout d'éthanol à l'essence provoque
2 L'indice d'octane mesure la valeur anti-détonante d'un carburant dans un moteur à
allumage commandé. L'hydrocarbure servant de référence est l'isooctane, qui ne détone pas
et dont l'indice vaut 100 par définition. Lorsqu'il y a détonation, la combustion dans le
cylindre a lieu dans des conditions anormales qui fatiguent l'embiellage et le vilebrequin : le
moteur cliquette.
Deux indices sont utilisés : le Research Octane Number (RON) et le Motor Octane Number
(MON). Les conditions expérimentales de détermination de ces indices pour un carburant
donné sont différentes : les indices résultant sont dès lors différents pour un même
carburant. En Europe, le RON est l'indice donné à la pompe.
3 Un azéotrope est un mélange de liquides qui bout à température fixe en gardant une
composition fixe. La température d'ébullition du mélange n'est pas nécessairement comprise
entre les températures d'ébullition des composants. La composition d'un azéotrope varie avec
la pression.
4 La pression de vapeur est la pression partielle de la vapeur d'un corps présent également
sous forme liquide ou solide.
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Bioéthanol
une augmentation de la tension de vapeur du carburant jusqu'à une teneur en éthanol de 5%
en volume. La pression de vapeur du carburant diminue ensuite alors que la teneur en
éthanol augmente (Ballerini et Alazard-Toux, 2006).
On voit sur la figure 1 que la tension de vapeur est inférieure à 60 kPa (norme EN 228,
tableau 16) lorsque le mélange contient 25% d'éthanol et plus.
Figure 1. Evolution de la tension vapeur de l'essence contenant différentes teneurs en éthanol
La volatilité de l'éthanol pur étant très faible, un problème de démarrage à froid peut
survenir. Celui-ci peut être aisément évité par l'utilisation d'un mélange contenant 85%
d'éthanol et 15% d'essence (aussi appelé E85), le chauffage du système d'injection ou encore
l'utilisation d'un second réservoir contenant une essence très volatile destinée au démarrage
du moteur uniquement (Ballerini et Alazard-Toux, 2006).
2.2 ETBE/essence
L'ETBE est un carburant issu de la réaction chimique entre un co-produit fossile, l'isobutène,
et l'éthanol qu'il contient à raison de 47% en masse : l’ETBE n’est donc que partiellement
renouvelable. L'ETBE est préférentiellement incorporé à l'essence SP98 mais peut également
être ajouté à la SP95 (Total, communication personnelle).
Ses caractéristiques physico-chimiques sont reprises dans le tableau 1. D'une manière
générale, l'ETBE est une alternative intéressante pour les pétroliers pour diverses raisons :
• sa tolérance à l'eau, rendant les mélanges ETBE/essence stables;
• l'indice RON de l'ETBE, bien qu'inférieur à celui de l'éthanol, est meilleur que celui de
l'essence SP 95 octane;
• l'énergie délivrée par l'ETBE est supérieure à celle fournie par l'éthanol;
• sa tension de vapeur est inférieure à la norme EN 228 définissant les paramètres de
l'essence.
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Bioéthanol
2.3 Ethanol/diesel
Il est également intéressant d'étudier d'autres propriétés de l'éthanol, plus spécifiques celleslà
du diesel (tableau 2). Le mélange de ces deux carburants, également appelé E-diesel, peut
en effet être d'intérêt vu la consommation belge de diesel et le potentiel de production
d'éthanol en Belgique.
Tableau 2. Principaux paramètres physico-chimiques de l'éthanol et du diesel (Weber de Menezes et al., 2006)
Paramètre Ethanol Diesel
Masse molaire (g.mol -1 ) 46,07 190 – 220 **
Densité à 20°C (kg.m -3 ) 790 829 ** - 836
Point d'ébullition (°C) 78,4 180 – 360
Viscosité à 40°C (cSt) 1,07 2,6
Indice de cétane 5 – 8 45 – 50 **
Tension de vapeur à 38,7°C (kPa) * 15,6 19,5
Température d'auto-inflammation (°C) * 366 230
Oxygène (%poids) 34,8 0
Point flash (°C) 13 – 14 ** 36
Limites d'inflammabilité (%) * 3,3 – 19,0 0,6 – 5,6
Limites d'inflammabilité (°C) * 13 – 42 64 - 150
Température d'auto-inflammation (°C) * 366 230
* d'après Hansen et al. (2005)
** d'après Li et al. (2005)
L’éthanol peut également être utilisé à 95% dans les moteurs diesel (E95, voir 3.2.2).
L’éthanol est dans ce cas additionné d’essence ou d’un additif améliorant certaines propriétés
du biocarburant.
2.3.1 Stabilité des mélanges
L'éthanol n'étant pas soluble dans le diesel, le mélange de l'éthanol au diesel produit une
émulsion. L'éthanol est par contre soluble dans l'eau, ce qui peut entraîner une démixtion de
l'E-diesel lors d'une contamination du carburant par de l'eau.
Or, la stabilité du mélange est très importante. Celle-ci peut être conservée de deux
manières : soit en ajoutant un émulsifiant, ce qui entraîne une certaine manipulation des
liquides, soit en ajoutant un co-solvant. Le tableau 3 présente différents additifs testés
(Hansen et al., 2005).
Tableau 3. Comparaison d'additifs stabilisateurs de mélanges éthanol/diesel
Pays % Ethanol dans le diesel Additif % Additif dans le mélange Origine de l'additif
Suède 15%, contenant 5% d'eau Dalco (Australie) n.r. n.r.
USA 15% (anhydre) PEC * (USA) 2 – 5% renouvelable
7,7% et 10% AAE (UK) 1 et 1,25% ** renouvelable
10% GE Betz (USA) n.r. fossile
* Pure Energy Corporation
** respectivement
n.r. = non reporté
De l'eau peut également être ajoutée au diesel dans le but de produire une émulsion. Le
mélange eau/diesel améliore l'efficience du moteur et réduit les émissions polluantes (Samec
et al., 2002, Abu-Zaid, 2004 in Bo et al., 2006). L'eau présente dans l'émulsion se vaporise
plus rapidement. Une fois la vaporisation de l'eau terminée, le diesel se vaporise plus vite
également, provoquant une réduction rapide de la taille des gouttelettes de carburant, ce qui
améliore la combustion (Bo et al., 2006).
L'ajout d'éthanol au diesel modifie certaines caractéristiques physico-chimiques du carburant:
l'augmentation de la concentration en éthanol va de pair avec la diminution de la densité, de
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Bioéthanol
l'indice de cétane, de la viscosité cinématique et de la teneur en énergie des mélanges
(Dominguez et al., 2005).
2.3.2 Indice de cétane
Inversement proportionnel à l'indice d'octane, l'indice de cétane 5 de l'éthanol est relativement
bas. Cela implique un délai d'inflammation de l'éthanol pur plus long, durant lequel le
carburant est vaporisé. Le taux de combustion initial est supérieur, entraînant une plus
grande libération de chaleur à volume constant, et rendant le process plus efficient (Hansen
et al., 2005). En mélange au diesel, la combustion de l’éthanol est moindre, suite au retard
d’inflammation par rapport au diesel.
Pour l'utilisation d'E-diesel, il est cependant préférable d'utiliser un additif augmentant l'indice
de cétane afin d'obtenir un mélange dont l'indice de cétane répond aux normes en vigueur
(Hansen et al., 2005).
Hormis l'utilisation d'additifs, il est possible de maintenir une séparation physique des 2
carburants. Dans ce cas, l'éthanol est vaporisé dans un carburateur avant son injection dans
la chambre de combustion où une petite quantité de diesel sert uniquement à l'inflammation
du carburant. Les deux carburants sont alors séparés jusqu'au cylindre (Murthy, 2001).
2.3.3 Viscosité
La propriété lubrifiante du carburant est importante dans les moteurs diesel. Or, l'ajout
d'éthanol au diesel diminue la viscosité et le pouvoir lubrifiant du carburant. La viscosité du
mélange sera d'autant plus basse que la viscosité du diesel pur sera proche du minimum
requis (Hansen et al., 2005). Le pouvoir lubrifiant et la viscosité des mélanges éthanol/diesel
doivent atteindre un minimum afin d'assurer la durabilité du système d'injection et le
redémarrage du moteur à chaud. En effet, la viscosité du carburant affecte la vaporisation
dans la chambre de combustion (Hansen et al., 2005).
A nouveau, l'ajout d'un additif permet l'amélioration de ce paramètre.
5 L'indice de cétane d'un carburant mesure le temps d'autoinflammation de ce carburant dans
les conditions de combustion d'un moteur diesel. La référence est le cétane, un hydrocarbure
qui s'enflamme très rapidement en compression. Il lui est attribué un indice de cétane de
100.
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2.3.4 Contenu en énergie
Le contenu énergétique de l'éthanol est moindre que celui du diesel. L'ajout d'éthanol au
diesel diminue le contenu énergétique du mélange par rapport au diesel pur et ce pour un
même volume de carburant (Li et al., 2005).
Selon Dominguez et al. (2005), la consommation spécifique de carburant augmente et la
puissance fournie diminue avec l'augmentation d'éthanol dans le diesel. Ces effets sont dus
simplement au moindre contenu en énergie de l'éthanol.
Toutefois, l'utilisation d'un système double carburant éthanol/diesel augmente la puissance
de 10 à 15% et l'efficacité thermique, et diminue la densité des fumées pour certaines
charges et vitesses (Murthy, 2001).
2.3.5 Point flash 6
Des tests d'inflammabilité ont été menés sur des mélanges contenant 10%, 15% et 20%
d'éthanol dans le diesel, ainsi que sur le diesel pur et l'éthanol pur. Les résultats pour les 3
mélanges sont similaires à ceux de l'éthanol pur (voir figure 2) (Battelle, 1998, in Hansen et
al., 2005).
6 Le point flash d'un liquide est la température la plus basse à laquelle la pression de vapeur
de ce liquide est suffisante pour produire un mélange inflammable dans l'air au-dessus de la
surface du liquide. Les limites d'inflammabilité sont les concentrations minimum et maximum
de carburant sous forme gazeuse dans l'air, et les températures auxquelles il y a
vaporisation, pour lesquelles une flamme peut se propager après ignition.
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Figure 2. Caractéristiques d'inflammabilité de mélanges éthanol/diesel à 10, 15 et 20% d'éthanol (Battelle, 1998 in
Hansen et al., 2005)
Le tableau 4 présente les caractéristiques d'inflammabilité du diesel pur, de l'éthanol pur et
de l'essence pure.
Tableau 4. Caractéristiques d'inflammabilité du diesel pur, de l'éthanol pur et de l'essence pure (Battelle, 1998 in
Hansen et al., 2005)
Caractéristique Diesel pur Ethanol pur Essence pure
Tension de vapeur à 37,8°C (kPa) 0,3 17 65
Point flash (°C) 64 13 – 40
Température d'auto-inflammation (°C) 230 366 300
Limites d'inflammabilité (%) 0,6 – 5,6 3,3 – 19,0 1,4 – 7,6
Limites d'inflammabilité (°C) 64 - 150 13 – 42 – 40 à 18
Ces données montrent que les caractéristiques de l'éthanol se situent entre le diesel et
l'essence en matière de point flash et de températures limites d'inflammabilité. Par contre,
les concentrations limites d'inflammabilité et la température d'auto-inflammation de l'éthanol
sont supérieures aux deux carburants fossiles. Ces paramètres sont à prendre en compte
pour établir les conditions de stockage et de distribution du carburant.
2.4 Ethanol/biodiesel/diesel
Afin de palier aux faibles indice de cétane et pouvoir de lubrification de l'éthanol, des études
ont testé des mélanges contenant de l'éthanol et du biodiesel comme agents oxygénants du
diesel. Les propriétés d'un mélange étudié par Shi et al. (2006) sont rapportées dans le
tableau 5. Les propriétés du mélange préparé sont très proches de celles du diesel. Il est à
noter que les normes auxquelles se réfèrent Shi et ses collaborateurs (2006) sont pour la
plupart chinoises.
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Tableau 5. Propriétés du BE20 (éthanol:biodiesel:diesel (5:20:75)) et de ses différents composants (Shi et al, 2006)
Propriété Diesel Biodiesel * Ethanol BE20
Densité à 20°C (kg.m - ³) 840 880 789 845
Oxygène (%poids) - 11 35 3,9
Carbone (%poids) 87 77 52 83
Hydrogène (%poids) 13 11,8 13 12,8
Viscosité (cS à 40 °C) 3,11 4,75 1,2 3,04
Indice de cétane 46 55 6 45
Point flash (°C) 78 > 110 13,5 -
PCI (MJ/kg) 42,5 38,0 27,0 40,9
* Ester méthylique d'huile de soja
Le biodiesel est connu pour son pouvoir émulsifiant de l'éthanol. Il permet d'améliorer la
solubilité et la stabilité des mélanges éthanol/diesel sans devoir recourir à l'ajout d'autres
additifs (McCormick et Parish, 2001).
Enfin, comme le tableau 5 l'indique, l'ajout de biodiesel permet le maintien de l'indice de
cétane et du contenu en énergie du carburant. L'éthanol, quant à lui, permet la conservation
d'une bonne fluidité du carburant lorsque les températures sont basses.
2.5 Tableau récapitulatif
Tableau 6. Caractéristiques des principaux biocarburants, du diesel et de l'essence
(Vanhemelrijck, 1992 ; Belbiom, 1994 ; Bokey, 2002 ; Girard, 2003 ; Tse, 2004)
Caractéristiques Diesel Huile de Biodiesel Essence Ethanol ETBE BE20
(Dir 98/70) colza
(Dir 98/70)
Masse volumique 845 max 916 860 – 900 750 794 750 845
(kg/m³)
Indice de cétane 51 min 36 51 min - 8 - 45
Pouvoir calorifique 35 34 33 31 21 27 -
inférieur (PCI – MJ/l)
PCI (MJ/kg) 42 37 38 42 27 36 40,9
Viscosité (cSt à 4,5 78 7,5 - - - 3,04
20°C)
Indice d'octane - - - 95 min 120 – 130 108 – 112 -
recherche
Souffre (ppm – max) 50 < 10 < 10 50 < 1 < 10 -
Polyaromatiques 11 max 0 0 - - - -
(%m/m)
Benzène (% vol) - - - 1 0 0 -
Aromatiques (%vol) - - - 35 0 0 -
Oxygène (%poids) * - - - 2,7 max 34,8 14,3 3,9
Tension de vapeur - - - 60 200 45 -
(kPa)
Standard EN 590 DIN EN 14214 EN 228 - - -
51605
- pas de données
* La norme standard d'essence tolère un pourcentage maximum d'oxygène (2,7%), ce qui correspond à 7,7% d'éthanol en volume, l'éthanol étant un
composé oxygéné.
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Bioéthanol
3 Compatibilité véhicule/carburant
3.1 Moteurs à essence
3.1.1 Ethanol/essence
Les biocarburants E5 et E10 sont à l'heure actuelle disponibles dans bon nombre de stationsservice
à travers le monde et pratiquement aucune incompatibilité avec le matériel et autres
équipements n'a été rapportée (IEA, 2004). Il faut par ailleurs souligner que la plupart des
constructeurs automobiles garantissent la compatibilité de leurs véhicules avec l'utilisation
d'essence contenant au maximum 5 ou 10% d'éthanol (NOVEM/ECOFYS, 2003).
Ainsi, les véhicules européens sont garantis pour utiliser des essences contenant jusqu'à 5%
d'éthanol. Les véhicules américains peuvent par contre utiliser de l'E10, alors qu'au Brésil la
quantité minimale d'éthanol dans l'essence varie de 22 à 26%.
D'une manière générale, l'adaptation des véhicules porte aussi bien sur le moteur que sur le
matériel connexe. Le but est de contrebalancer les inconvénients et d'exploiter les avantages
liés à l'utilisation d'éthanol (tableau 7).
Les adaptations apportées en usine consistent en la pose de matériaux compatibles avec
l'usage d'essence mélangée à l'éthanol. La combustion d'E5 ou d'E10 peut provoquer un
certain encrassement des soupapes d'admission, aisément contré par l'ajout d'un additif
adéquat au carburant (Ballerini et Alazard-Toux, 2006).
Tableau 7. Avantages et inconvénients liés à l'utilisation d'éthanol pour les moteurs (Ballerini et Alazard-Toux, 2006;
IEA, 2004)
Paramètre Conséquence Effet
Chaleur latente de vaporisation Cooling effect – meilleur remplissage de la chambre de +
élevée
combustion
Problème possible lors du démarrage à froid –
Teneur en oxygène élevée Formation d'acide acétique – dégradation de certains
–
polymères, corrosion de matériaux métalliques
Indice d'octane élevé Réduction du cliquetis moteur +
Augmentation du taux de compression du moteur et
amélioration du rendement
+
Ces mélanges à faible concentration en éthanol sont les plus communs, mais les mélanges à
plus haute proportion d'éthanol et les véhicules qui y sont adaptés sont de plus en plus
courants dans les pays les plus avancés dans le secteur des biocarburants.
L'adaptation des moteurs à des teneurs importantes en éthanol dans le carburant consiste
d'une part en l'adaptation du système d'injection et de la combustion, et d'autre part en
l'utilisation de matériaux résistants au pouvoir de dégradation de l'éthanol, empêchant la
corrosion de matériaux métalliques (IEA, 2004). Les véhicules flexi-fuel sont ces véhicules
pouvant rouler à l'essence contenant de 0 à 85% d'éthanol. Une sonde détecte le type de
carburant utilisé et adapte les différents paramètres dont l'injection et le temps d'allumage.
L'éthanol pur hydraté (96% vol d'éthanol et 4% vol d'eau) peut également être utilisé dans des
moteurs spécifiques. Ces moteurs, plus chers à la production, présentent l'avantage d'utiliser
un carburant moins onéreux : la production d'éthanol hydraté est en effet moins chère que
celle d'éthanol déshydraté, nécessaire pour la production d'E85 (IEA, 2004).
De plus, l'utilisation d'éthanol dans les moteurs à haut rendement dans lesquels le taux de
compression est augmenté reste une alternative intéressante pour réduire la consommation
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Bioéthanol
de carburant et l'émission de CO 2. . Ainsi, pour profiter au mieux de l'indice d'octane élevé de
l'éthanol, il est intéressant d'augmenter le ratio de compression du moteur (air:essence) :
certains constructeur brésiliens ont ainsi augmenté le ratio de 9:1 à 12:1 (IEA, 2004).
3.1.2 ETBE/essence
Aucun problème de compatibilité avec les matériaux n'a été relevé depuis que l'ETBE est
additionné à l'essence (Ballerini et Alazard-Toux, 2006).
3.2 Moteurs diesel
3.2.1 E-diesel
Hansen et ses collaborateurs (2005) ont répertorié plusieurs études menées sur différents
types de véhicules utilisant divers mélanges d'éthanol et de diesel. Ainsi, deux camions ont
chacun parcouru plus de 400 000 km avec du diesel contenant 15% d'éthanol sans entraîner
de dégradation anormale du moteur (Marek and Evanoff, 2001 in Hansen et al., 2005).
De même, une compagnie américaine de bus a alimenté la moitié de sa flotte en diesel à
15% d'éthanol. Les 15 bus ont accumulé plus de 400 000 km et aucun problème n'a été
signalé (Marek and Evanoff, 2001 in Hansen et al., 2005).
Un test a été réalisé sur deux tracteurs John Deere 9400 et deux tracteurs Caterpillar
Challenger 95E. Un tracteur par marque a consommé du diesel contenant 10 % d'éthanol et
un additif (GE Betz), tandis que les autres tracteurs ont roulé au diesel pur (témoins). L'état
des véhicules a été analysé sur base des analyses menées sur l'huile après 700 h pour les
John Deere et 380 et 600 h pour les Caterpillar : aucun problème n'a été relevé (Hansen et
al., 2001 in Hansen et al., 2005).
Dominguez et al. (2005) ont montré que l'utilisation d'éthanol jusqu'à 15% dans le diesel
n'altère généralement pas les systèmes d'injection électronique et permet donc le maintien
des performances. Dans le cas des systèmes à injection mécanique, le temps d'injection
semble s'allonger avec la concentration d'éthanol dans le diesel.
Il est nécessaire de définir les caractéristiques de l'E-diesel et les additifs à utiliser dans les
mélanges.
De nouveaux tests de compatibilité E-diesel – moteur et de durabilité des moteurs sont
toutefois encouragés sur des périodes plus longues, allant jusqu'à au moins 1000 h de
fonctionnement et ce, pour confirmer la compatibilité des mélanges éthanol/diesel dans les
moteurs (Hansen et al., 2005). Les moteurs sur lesquels ces tests ont été réalisés n’ont
apparemment subi aucune modification. Des agents inhibant les propriétés corrosives de
l’éthanol ont toutefois pu être additionnés au carburant.
3.2.2 E95
Voir Expériences à l'étranger.
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Bioéthanol
3.2.3 Ethanol/biodiesel/diesel
Sendzikiene et al. (2006) ont testé différents mélanges d'éthanol/biodiesel/diesel et ce,
jusqu'à ce que le contenu en oxygène du carburant atteigne 25,7% (tableau 8).
Tableau 8. Composition (en %) et teneur en oxygène de différents mélanges testés (Sendzikiene et al., 2006)
Biodiesel * Diesel Ethanol Oxygène (%masse)
58,0 40,0 2,0 6,9
55,5 35,5 9,0 9,1
77,3 16,0 6,8 10,6
100,0 0,0 0,0 10,7
58,3 11,3 30,5 16,8
32,5 21,5 46,0 19,5
29,0 6,0 65,0 25,7
* Ester méthylique d'huile de colza
Les auteurs ont ainsi montré que :
• ce type de mélange contenant jusqu'à 19,5% d'O 2 (soit 46% d'éthanol) permet un
fonctionnement normal du moteur diesel entre 1200 et 2000 tr/min;
• sur base des résultats de performances moteur et des émissions, le contenu optimal
en O 2 dans le carburant se situe entre 15 et 19%.
4 Emissions
Le contenu en oxygène de l'éthanol permet une meilleure combustion du carburant, réduisant
l'émission de particules et de suies. L'effet sur les autres polluants reste peu clair : les
résultats d’études scientifiques dépendent souvent des véhicules utilisés.
4.1 Moteurs à essence
D'une manière générale, l'introduction d'éthanol dans l'essence a un effet positif sur
l'émission de particules et de monoxyde de carbone (CO), qui est une des molécules à
l'origine de la formation de l'ozone (Whitten, 2004).
La combustion d'essence mélangée à de l'éthanol a un impact positif sur les émissions de
certains gaz à effet de serre et d'autres molécules (tableau 9). En effet, le contenu en
oxygène de l'éthanol peut favoriser la combustion et réduire la quantité d'hydrocarbures
imbrûlés ou de produits d'oxydation partielle (HC, CO) (Ballerini et Alazard-Toux, 2006);
Tableau 9. Emission de polluants lors de la combustion d’E5 ou E10 par rapport à l’essence standard
Type de molécule
E5 ou E10
CO - 15%
Hydrocarbures imbrûlés - 15%
NO x + 5%, mais aussi æ *
Composés organiques ä
volatiles totaux
Particules
æ
Aldéhydes ä **
Benzène
æ
1, 3-Butadiène æ
Isobutène
æ
Toluène
æ
Xylène
æ
* avec certains types de véhicules
** acétaldéhyde et formaldéhyde. Noter que les émissions de formaldéhyde liée à la combustion de mélanges
éthanol/essence sont réduites par rapport à la combustion de mélanges MTBE/essence.
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Bioéthanol
Toutefois, l'émission d'aldéhydes, substances pouvant avoir un effet négatif sur la santé, et
de composés aromatiques volatiles augmente suite à la combustion dans les moteurs
d'essence mélangée à l'éthanol (Ballerini et Alazard-Toux, 2006).
Une étude a été menée au Royaume-Uni entre octobre 2001 et février 2002 sur l'impact
environnemental (en termes d'émission de substances polluantes) de l'utilisation E10
(Reading et al., 2002). Les mesures ont été réalisées sur 5 véhicules différents (tableau 10)
qui ont été conduits dans différentes conditions (zone rurale, ville, autoroute, …).
Tableau 10. Caractéristiques des véhicules utilisés par Reading et al. (2002)
Véhicule
Cylindrée
Standard européen
(émissions)
Toyota Yaris 1.0 Euro III
Vauxhall * Omega 2.2 Euro III
Fiat Punto 1.2 Euro II
VW Golf 1.6 Euro III/IV
Rover 416 1.6 Euro II
* Opel chez nous
Les résultats de cette étude ont montré que l'ajout de 10% d'éthanol à l'essence :
• réduit significativement les émissions de particules et de CO;
• réduit significativement les émissions de CO 2 pour certains des véhicules testés;
• augmente globalement la consommation de carburant;
• n'influence pas significativement les émissions de NO x ;
• augmente significativement les émissions d'acétaldéhyde pour certains des véhicules
testés.
Il est par ailleurs nécessaire de souligner que deux véhicules ont montré une amélioration en
économie de carburant. Or, ces véhicules sont équipés d'un système récent de gestion du
moteur qui permet l'optimisation du temps d'allumage en fonction de l'indice d'octane et ce,
grâce à des sondes à cliquettis.
L'ETBE contient un peu moins de molécules nocives pour la santé et l'environnement
(benzène, hydrocarbures aromatiques, etc) que l'essence.
Les données scientifiques manquent pour les émissions liées à la combustion d’E25 et d’E85.
Des études devraient être menées.
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Bioéthanol
4.2 Moteurs diesel
4.2.1 Ethanol/diesel
Le ratio H/C du diesel est inférieur à celui de l'essence, ce qui explique les émissions plus
élevées de composés carbonés par unité d'énergie fournie au moteur (Weber de Menezes et
al., 2006).
Une revue rapporte la comparaison (tableau 11) de trois études menées sur 3 moteurs
différents et utilisant de l'éthanol à 10 et 15 % dans le diesel. Le protocole de test et le diesel
de référence utilisé étaient différents dans les 3 études (Hansen et al., 2005).
Tableau 11. Comparaison des résultats de mesure d'émissions lors de la combustion de mélanges de diesel avec 10
et 15% d'éthanol (Hansen et al., 2005)
Référence Spreen (1999) Schaus et al. (2000) Kass et al. (2001)
Moteur
DDC série 60 6 cylindres, 12.7
L DI avec turbo et intercooler –
1991
VW TDI 4 cylindres, 1.9 L DI
avec turbo, EGR *** et
catalyseur – 1997
Cummins ISB 6 cylindres, 5.9 L
DI avec turbo et intercooler –
1999
Composition des carburants testés (% vol )
Ethanol 10 15 10 15 10 15
Additif 2,35 PEC * 2,35 PEC * 2 GE ** 2 GE ** 2 GE ** 2 GE **
Diesel 87,65 82,65 88 83 88 83
Emissions moyennes (ratio mélange/carburant fossile de référence, %)
Particules 73 59 27-159 25-157 80 70
NO x 96 95 80-125 40-125 100 100
CO 80 73 - - 160 140
HC 171 210 - - 200 175
* PEC – additif Pure Energy Corporation
** GE – additif GE Betz
*** EGR – système de recirculation des gaz d'échappement
- donnée non fournie
D'une manière générale, la comparaison de ce type d'études est peu évidente. En effet, les
émissions sont influencées par de nombreux facteurs, outre le carburant testé. Ces facteurs
sont la technologie de contrôle des gaz d'échappement, le type de moteur, l'âge du véhicule,
les entretiens subis, et enfin, les protocoles de test et les conditions de test. Certaines
tendances ont toutefois pu être mises en évidence.
Les résultats de Spreen (1999 in Hansen et al., 2005) et Kass et al. (2001 in Hansen et al.,
2005) montrent une réduction de l'émission de particules de 20 à 27% pour le mélange à
10% d'éthanol et de 30 à 41% pour le mélange à 15%. Le taux de NO x est réduit de 4 à 5%
dans le cas de la première étude et reste inchangé pour la seconde. Les résultats d'émission
de CO sont un peu plus troublants dans la mesure où ceux-ci diminuent pour la première
étude et augmentent pour la seconde. Par contre l'émission d'hydrates de carbone augmente
dans les deux cas. L'étude menée par Schaus et al. (2000 in Hansen et al., 2005) montre des
résultats variant énormément.
En fait, cette étude a poussé le potentiel d'optimisation de l'injection et le potentiel de
réduction maximale des émissions sur l'ensemble des schémas de performances moteur. Les
grandes variations de mesures obtenues par Schaus et al. (2000 in Hansen et al., 2005)
indiquent donc la limite de réduction des émissions avec les mélanges éthanol/diesel.
Les résultats d'émission de CO et HC incitent au développement de systèmes de contrôle des
gaz d'échappement et des émissions adaptés.
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Bioéthanol
Il faut également souligner que l'ajout d'éthanol au diesel permet une réduction
proportionnelle de la quantité de soufre présente dans le carburant, à condition que l'additif
ne contienne pas de soufre. Les émissions de SO 2 en sont donc considérablement réduites
(Marek et Evanoff, 2001 in Hansen et al., 2005).
Dominguez et al. (2005) ont noté une diminution de l'opacité des fumées produites par des
moteurs brûlant du diesel contenant jusqu'à 15% d'éthanol. Ces moteurs ont également été
soumis à différentes conditions de fonctionnement, ce qui n'a pas permis de dégager de
tendance générale concernant les émissions de particules et de NO x . Par contre, une
augmentation des hydrates de carbone et du CO dans les gaz d'échappement,
particulièrement pour de faibles charges, a été mise en évidence.
Selon Murthy (2001), la réduction des émissions de NO x est possible grâce à la présence
d'eau dans l'alcool (éthanol hydraté) et à la faible température de combustion due à la faible
chaleur latente de vaporisation de l'éthanol.
L'ajout d'éthanol au diesel correspond chimiquement à une oxygénation du diesel.
L'incorporation de composés oxygénés au diesel apporte l'avantage de réduire l'émission de
particules et, dans le cas d'ajout d'éthanol, d'utiliser une ressource énergétique renouvelable.
4.2.2 Ethanol/biodiesel/diesel
Selon Sendzikiene et al. (2006) qui ont testé différents mélanges d'éthanol/biodiesel/diesel
(tableau 8), les émissions d'hydrocarbures polycycliques, de NO x et de fumées sont réduites
jusqu'à un contenu en O 2 de 19,5% (soit 46% d'éthanol). Par contre, la teneur maximale en
O 2 pour la réduction du CO est de 16,8% (soit 30,5% d'éthanol).
Shi et al. (2006) ont étudié l'impact de la combustion dans un moteur diesel de poids lourd
d'un mélange éthanol:biodiesel:diesel (5:20:75) (BE20, voir tableau 5) sur les émissions de
polluants. Ce carburant a permis une réduction moyenne des particules de 30% par rapport
au diesel et une diminution des hydrates de carbone totaux. Par contre, sa combustion a
entraîné une augmentation des NO x de 5,6 à 11,4%. Une faible quantité d'éthanol dans les
gaz d'échappement a par ailleurs été détectée, suggérant que la combustion d'éthanol est
incomplète (Shi et al., 2006).
4.2.3 E95
Dans le cadre d’une expérience réalisée sur les bus de Stockholm (voir 5.3), les émissions de
polluants liées à la combustion d’E95 ont été mesurées (tableau 12), montrant l'intérêt de
recourir à l'éthanol pour le transport public urbain.
Tableau 12. Mesure des polluants émis par des bus consommant du diesel ou de l'éthanol
Type d'émission Diesel 1994 (g/kWh) E95 (ECE-R49 1 – g/kWh) E95 (Braunschweig 2 – g/km)
Particules 0,4 - 0,04
CO 5,0 0,05 0,16
HC 1,2 0,16 0,14
NO x 9,0 3,8 6,5
1
La méthode standardisée ECE-R49 est basée sur un moteur placé sur un banc d'essai.
2 Le cycle de Braunschweig est une méthode de mesure des émissions basée sur la simulation de conduite.
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Bioéthanol
5 Expériences à l'étranger
5.1 E5 – E10 – E25 (Brésil)
Les essences contenant de l'éthanol en de faibles proportions sont limitées à 5% (E5) ou
10% (E10) d'alcool. Cela permet une interchangeabilité entre essence avec ou sans éthanol
sans pour autant devoir adapter le véhicule au carburant. Les véhicules européens sont
garantis par les constructeurs automobiles pour consommer de l'E5. Par contre, aux Etats-
Unis, la limite maximale est fixée à 10% d'éthanol.
Au Brésil, l'essence contenant le plus faible pourcentage d'éthanol en contient entre 22 et
26%. Les voitures sont adaptées à ce type de mélange.
5.2 E85 – VFF (Suède, France)
Les véhicules flexi-fuel (VFF) sont des modèles tout à fait adaptés pour fonctionner à l'E85, à
l'essence pure ou encore avec un mélange intermédiaire (Ballerini et Alazard-Toux, 2006).
En Suède, plusieurs constructeurs automobiles (Saab, Volvo, Ford) fournissent le marché en
VFF. Les propriétaires de ces véhicules bénéficient de divers avantages tels que subsides à
l'achat, exemption d'accise sur le biocarburant, de taxe CO 2 , et parking gratuit dans un
nombre croissant de villes suédoises. Le marché de l'E85 y poursuit donc son développement
: le fournisseur suédois de carburants OKQ8 a livré 10 millions de litres en 2005 et prévoit
une augmentation de 60% en 2006. De plus, il existe à présent 320 stations-service délivrant
de l'E85 (SAGM, 2006).
En France, une expérience sur 7 VFF a débuté ce 1 er juin 2006 dans la Marne (véhicules
destinés à l'usage par les services publiques du Conseil Général de la Marne). Des mesures
d'émissions de polluants seront effectuées à différents moments et un bilan environnemental
sera établi à la fin de l'expérience. Le gouvernement français a annoncé son intention de
développer le marché de l'E85 et une autre expérimentation devrait voir le jour en Picardie.
Des stations-service distribuant de l'E85 devraient s'ouvrir dès 2007. Plusieurs constructeurs
automobiles (Ford, Renault et PSA-Peugeot-Citroën) ont annoncé leur intention d'ouvrir la
gamme française de leurs produits aux VFF (Moteur Nature, 2006).
La volonté politique a manifestement motivé les industriels à envisager l'investissement dans
la filière.
5.3 E95 – bus de Stockholm (Suède)
L'utilisation d'éthanol dans des moteurs à haut rendement dans lesquels le taux de
compression est augmenté reste une alternative intéressante pour réduire la consommation
de carburant et l'émission de CO 2 .
Depuis 1990, la Société de Transport publique du Grand Stockholm (SL) utilise des bus
roulant à l'E95. Ce carburant est composé à 95% d'éthanol et 5% d'additif améliorant
l'ignition (SEKAB, 2004). Les véhicules, de la marque Scania, sont équipés de moteur diesel
qui ont subi les adaptations suivantes pour rouler à l'éthanol :
• augmentation du ratio de compression de 18:1 à 24:1;
• agrandissement des trous des injecteurs ;
• modification du temps d'injection ;
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Bioéthanol
• augmentation de la capacité de la pompe à carburant ;
• utilisation de joints et filtres résistants à l'alcool.
A l'heure actuelle, tous les bus de la SL (Stockholm) roulent aux biocarburants : 80% à
l'éthanol et 20% au biogaz (Ripoche, 2006). Et environ 600 bus suédois roulent à l'éthanol
(Green car congress, 2006).
Préalablement à l'extension du réseau de bus roulant à l'éthanol, la SL a testé l'utilisation du
biocarburant sur 2 puis 30 bus (CADDET, 1997).
Ainsi, l'utilisation d'éthanol n'a pas soulevé de problèmes particuliers lors du fonctionnement
des bus. Suivant l'expérience, l'utilisation d'éthanol en lieu et place du diesel engendre un
coût supplémentaire lié au prix du carburant, aux besoins d'entretien et de remplacement de
pièces (CADDET, 1997). Les bénéfices liés à la qualité de l'air recouvrée dans la ville de
Stockholm compensent aisément le surcoût de 7 à 8% par bus (RESP, 2003).
5.4 Ediesel – Scania (Danemark)
Un test d'utilisation d'E-diesel par des camions a été mené au Danemark (Akzo Nobel, 2002):
le carburant utilisé contenait 10% d'éthanol anhydre, 88% de diesel et 2% d'additif (Beraid
ED10). Cet additif améliore la lubrification du moteur par le carburant, protège le moteur de
la corrosion, stabilise le carburant grâce à ses propriétés de solubilisation et améliore l'indice
de cétane (tableau 13).
Tableau 13. Propriétés physico-chimiques des carburants utilisés dans l'étude Akzo Nobel (2002)
Propriété Diesel danois E-diesel
Viscosité à 40°C (cSt) 2,7 2,3
Point flash (°C) 59 < 14
Teneur en Soufre (ppm) 49 49
Indice de cétane 54 52
Deux camions de la marque Scania ont été utilisés, l'un roulant à l'E-diesel, l'autre au diesel
classique et servant de référence (tableau 14). Les véhicules ont parcouru le même trajet
durant toute la durée du test et les chauffeurs ont régulièrement échangé leurs camions.
Tableau 14. Caractéristiques des camions utilisés dans l'étude Akzo Nobel (2002)
Camion E-diesel
Camion diesel
Scania R114 LA4x2
Scania R114 LA4x2
Moteur : DC1102, Euro II 380 hp
Moteur : DC1102, Euro II 380 hp
Poids : 15 tonnes
Poids : 15 tonnes
Charge : 25 tonnes
Charge : 25 tonnes
Nouveaux injecteurs placés le 10/09/2001 Nouveaux injecteurs placés le 10/09/2001
Km au 11/10/2001 : 472594 Km au 06/11/2001 : 483998
Km au 08/03/2002 : 569613 Km au 08/03/2002 : 565986
L'utilisation d'E-diesel a permis, en moyenne, de réduire l'émission de particules de 31%, de
CO de 29%, de NO x de 5% et de CO 2 de 3%. L'émission d'hydrates de carbone a par contre
augmenté de 13%.
La consommation de carburant a également augmenté de 2,2% pour l'E-diesel suivant le test
"5-mode cycle". La mesure de la consommation sur la route montre quant à elle une
augmentation de 16,3% de la consommation d'E-diesel par rapport au diesel. Cette
augmentation de la consommation s'explique par le moindre contenu en énergie de l'E-diesel
de 3,8% par rapport au diesel, la réduction de puissance du moteur qui en découle, et la
modification de la conduite (nécessité de changer plus souvent de vitesse).
Aucune incompatibilité véhicule/carburant n'a été relevée.
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Bioéthanol
Une réduction de la puissance maximale du moteur est assez nette avec l'E-diesel, ce qui
induit de changer de vitesse plus régulièrement. D'après les chauffeurs des véhicules, l'odeur
du carburant lors du remplissage du réservoir était nettement réduite avec l'E-diesel par
rapport au diesel. Ils ont également noté une odeur moindre des gaz d'échappement.
6 Conclusion étude technique
Au vu de ses propriétés, l’éthanol carburant est très intéressant pour les moteurs à allumage
commandé. En effet, L’éthanol améliore l’indice d'octane, réduit les émissions de polluants
grâce au contenu élevé en O 2 . Par températures basses, des problèmes au démarrage
peuvent se présenter avec des mélanges contenant de fortes teneurs en éthanol.
Dans les moteurs diesel, l’utilisation d’éthanol à 10 ou 15% dans le diesel réduit l’indice de
cétane et les émissions de suies sans toutefois altérer certains éléments du moteur.
La combustion d’éthanol en mélange à l’essence ou au diesel ou encore pur permet de
diminuer les émissions de suies et de gaz (CO 2 , SO x , benzène, HC, …) mais dans certaines
conditions dépendant généralement du véhicule. D’autres molécules telles que les aldéhydes
sont cependant émises en plus grande quantité. L’adaptation des éléments de contrôle des
gaz aux émissions liées à l’utilisation d’éthanol devrait réduire l’émission d’aldéhydes, NO x ,
etc.
Le mélange de biodiesel et d’éthanol au diesel constituerait un carburant bénéficiant des
propriétés intéressantes des carburants renouvelables (indice de cétane, viscosité, émulsion,
fluidité du carburant par basse température).
Néanmoins, il faut souligner le moindre contenu énergétique de l’éthanol, la nécessité
d’adapter le matériel connexe au moteur pour l’utilisation de mélange à haute teneur en
éthanol et le matériel de distribution du carburant contenant d’importantes quantités
d’éthanol, l’importance de fournir des mélanges diesel/éthanol ne contenant pas d’eau et de
les stocker de manière adéquate.
Les expériences menées à l’étranger sur des bus et camions utilisant de l’E95 et de l’E-diesel
(10% d’éthanol) respectivement montrent qu’il est possible et bénéfique pour
l’environnement et la santé d’utiliser de l’éthanol dans des moteurs diesel. Suivant le cas,
l’utilisation d’additif ou l’adaptation du moteur est requise.
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Bioéthanol
7 Développement du marché en Belgique
7.1 Producteurs et distributeurs de carburants fossiles en Belgique
Les distributeurs de carburants en Belgique disposant de dépôts agréés sont au nombre de 6:
• Shell ;
• Esso ;
• Jet – ConocoPhillips ;
• Q8 ;
• Total ;
• Texaco.
Ces 6 distributeurs ont la capacité logistique de mélanger l'éthanol à l'essence.
Trois autres entreprises ont de grands dépôts importateurs :
• Avia ;
• Van Der Sluis ;
• Martens Energie.
Octa+ est quant à lui un réseau de stations-service qui se fournit en carburant auprès des
entreprises précitées.
Les carburants mis en vente en Belgique doivent répondre à des normes strictes (tableaux
15, 16 et 17) : la norme EN 228 pour l'essence et la norme EN 590 pour le diesel.
Ces normes garantissent au consommateur que le carburant est de qualité, respecte des
critères environnementaux stricts et contient le minimum de substances nocives.
Tableau 15. Caractéristiques physico-chimiques de l'essence sans plomb – Norme EN 228:2004
Propriété
Limite minimum et/ou maximum
RON Min 95,0
MON Min 85,0
Plomb (mg/l) Max 5
Densité à 15°C (kg/m³) 720-775
Soufre (mg/kg) Max 50,0
Hydrocarbures oléofines (%, v/v) Max 18,0
Hydrocarbures aromatiques (%, v/v) Max 35,0
Benzène (%, v/v) Max 1,00
Oxygène (%, m/m) Max 2,7
Composés oxygénés (%, v/v)
Méthanol Max 3,0
Ethanol Max 5,0
Isopropanol Max 10,0
Isobutanol Max 10,0
Tertbutanol Max 7,0
Ethers (5 C ou +) Max 15,0
Autres Max 10,0
La norme EN 228 prévoit l'incorporation de maximum 5% vol d'éthanol. Par contre, en
rapportant la teneur maximale en O 2 en % d'éthanol, on constate que l'essence pourrait en
contenir 7,7% vol .
L'ETBE a aisément reçu l'aval des pétroliers en Europe en vue de son addition à l'essence,
bien qu'il n'existe aucun standard définissant sa qualité. La directive européenne 85/536/CEE
autorise néanmoins l'ajout d'ETBE jusqu'à 15% vol , ce qui correspond à 7% vol d'éthanol.
Toutefois, les teneurs en ETBE atteignent rarement ce maximum (Total, communication
personnelle).
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Bioéthanol
Un autre paramètre très important repris dans la norme EN 228 est la classification des
carburants en fonction de la volatilité du carburant (tableau 16).
Tableau 16. Caractéristiques de deux des 10 classes de volatilité de la norme EN 228
Propriété
Min/Max
Limites
Classe A Classe B
Pression de vapeur (kPa) Min 45,0 45,0
Max 60,0 70,0
% évaporé à 100°C (%, v/v) Min 46,0 46,0
Max 71,0 71,0
% évaporé à 150°C (%, v/v) Min 75,0 75,0
L'ajout d'éthanol en faible quantité à l'essence entraîne une augmentation de la pression de
vapeur et le dépassement de la norme EN 228 (max 60 kPa). Pour des teneurs en éthanol
supérieures à 20 – 25%, la tension de vapeur respecte à nouveau la norme (figure 1). Un
mélange E5 ou E10 peut toutefois respecter la norme si l’essence utilisée subit un raffinage
spécial afin de réduire sa volatilité.
Le diesel est quant à lui soumis à la norme EN 590. Elle autorise l'incorporation de biodiesel
jusqu'à 5% vol . L'éthanol n'est pas repris dans la norme. La pression de vapeur n'est pas un
paramètre critique pour le diesel.
Tableau 17. Caractéristiques physico-chimiques du diesel – Norme EN 590:2004
Propriété
Limite et/ou maximum
Indice de cétane Min 51,0
Densité à 15°C (kg/ m³) 820 – 845
Hydrocarbures polycycliques aromatiques (%, m/m) Max 11
Soufre (mg/kg) Max 50,0
Point flash (°C) > 55
Résidu de carbone (%, m/m) Max 0,30
Cendres (%, m/m) Max 0,01
Eau (mg/kg) 200
Stabilité à l'oxydation (g/m³) Max 25
Pouvoir lubrifiant (µm) Max 460
Viscosité à 40°C (mm²/s) 2,00 – 4,50
EMHV (%, v/v) * Max 5
* Ester méthylique d'huile végétale ou biodiesel
7.2 Marché de l'essence et du diesel en Belgique
Les quantités de SP95 et 98 et de gasoil routier consommées en 2004 et 2005 sont reprises
au tableau 18.
Selon le Bilan 2004 du SPF Economie, la consommation d'essence auto s'est élevée à 1,932
Mt (2,029 Mtep) en 2004 et la consommation de gasoil pour le transport routier à 6,305 Mt
(6,430 Mtep) (SPF Economie, P.M.E., Classes moyennes et Energie, 2005).
Tableau 18. Consommation annuelle de carburants fossiles en Belgique en 2004 et 2005 (en t et tep)
Année 2004 2005
Unité Mt Mtep Mt Mtep
Essences SP 95 & 98 1,919 1,957 1,750 1,785
Diesel 6,194 6,264 6,086 6,154
Source: Ministère des Affaires Economiques - Section Pétrole
D'après les statistiques fournies par le Ministère des Affaires Economiques, la consommation
de diesel a connu une légère baisse en 2005, alors que la consommation de diesel en
Belgique était à la hausse depuis longtemps. En 2005, la consommation de diesel a été 3,5
fois supérieure à la consommation d'essence.
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Bioéthanol
Notons par ailleurs que les consommations de diesel par les sociétés de transport en commun
sont considérables. Ainsi, la STIB (Société des Transports Intercommunaux de Bruxelles) a
consommé en 2002 11,7 Ml de diesel (IBGE – BIM, 2004) et le TEC (Transport en Commun –
Wallonie) en 2005 a consommé 34,6 Ml de diesel en Régie et 8,5 Ml par les exploitants privés
(Parlement Wallon, 2005).
Les transports en commun en Régions bruxelloise et wallonne totalisent donc une
consommation annuelle de diesel de près de 55 Ml, soit 46 Mtep.
7.3 Production d'éthanol et d’ETBE
Il n'y a pour le moment pas de producteur d'éthanol-carburant en Belgique. Plusieurs projets
seront soumis à l'appel d'offres lancé début juillet 2006 par le gouvernement fédéral pour
l'attribution du quota de bioéthanol bénéficiant de la défiscalisation. La quantité d'éthanol qui
sera défiscalisée s'élèvera à 250 000 m³ par an, soit 127 000 tep annuelles. Les quotas
seront attribués en octobre 2006 et la défiscalisation sera effective dès octobre 2007.
Les deux principaux projets sont détaillés dans le tableau 19.
Tableau 19. Principaux projets de production d'éthanol en Belgique
Nom du projet Société Localisation
Production
Matières
annuelle
premières
d'éthanol
BioWanze
Raffinerie
Blé, sirop de
Tirlemontoise
Wanze 300 000 m³
betterave
Alcogroup, Vanden
Blé, maïs,
Alco Biofuel Avenne/Euro-Silo, Gand 2 * 150 000 m³ sirop de
Aveve/Wal.Agr i
betterave
* DDGS : Distilled Dried Grain and Soluble, drêche utilisée en alimentation animale
Co-produits
Gluten,
DDGS *
Valorisation
énergétique de
sous-produits
25 MW
DDGS -
Le projet BioWanze a déjà démarré certains travaux en vue de la construction de l'usine. Les
autres projets attendent l'attribution des quotas avant toute mise en œuvre.
Deux entreprises jouent un rôle majeur dans la production d’ETBE en France (Total et
Lyondell Chemical Company) et aux Pays-Bas (Lyondell Chemical Company). La capacité de
production d’éther-carburant par Lyondell en Europe (France et Pays-Bas) est de plus d’un
million de tonnes par an. Total peut produire jusqu’à 235 000 tonnes d’ETBE par an.
7.4 Distribution des mélanges éthanol/essence et ETBE/essence
La distribution des carburants doit suivre un certain nombre de critères de sécurité liés aux
caractéristiques physico-chimiques propres à chaque carburant. Ainsi, en matière de
distribution de mélanges éthanol/essence, il est nécessaire de veiller à certains paramètres
qui sont repris dans un ma nuel spécifique à l’E85 édité par le Département de l'Energie des
Etats-Unis (NREL, 2006). Ces critères passent en revue les points critiques (tableau 16) liés à
la livraison, au stockage et à la distribution des mélanges à hautes teneurs en éthanol.
Il existe un système de distribution d'Exx ayant reçu un certificat européen. Ce système
comprend une citerne à essence et une citerne à E85. En connectant les deux, il est possible
de fournir de l'E5, de l'E85 et encore deux autres mélanges comme par exemple de l'E10 et
de l'E75. Le coût de fabrication de la pompe est apparemment à peine plus cher que son
équivalent essence (BAFF, 2004).
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Bioéthanol
Total se focalise davantage sur l'ETBE. L'ETBE présente des propriétés assez proches de
l'essence qui permettent d'éviter certains obstacles liés à la préparation du mélange
éthanol/essence et à sa distribution (tableau 6).
Il faut toutefois souligner que la distribution de mélanges (en toutes proportions)
éthanol/essence se fait depuis plusieurs années dans de nombreux pays, sans que cela ne
pose des problèmes insurmontables.
7.5 Possibilités de développement de filières issues de l’éthanol en Belgique
Pour amorcer le développement de nouvelles filières bioéthanol plus ambitieuses que la
simple incorporation de quelques pourcents dans l'essence, il faut avant tout une volonté
politique forte. La Suède, le Brésil, les Etats-Unis et maintenant la France le prouvent. Des
partenaires industriels intéressés par le(s) projet(s) et y croyant se joindront à la filière en
question. Ils entraîneront dans leur sillage toute une suite d'industriels qui s'engageront une
fois les bases de la filière établies.
7.5.1 L'ETBE dans toutes les essences
En Belgique, l'éthanol sera avant tout incorporé à l'essence sous forme d’ETBE, ce qui
correspond à 7% vol d’éthanol. La consommation d'éthanol en ETBE représentera alors 65% du
quota (~163 000 m³). Ce carburant semi-renouvelable (issu à 47% de l'éthanol) est toutefois
constitué d'un co-produit pétrolier, l'isobutène, ce qui diminue son intérêt d’un point de vue
environnemental.
Une nouvelle norme européenne fixant les caractéristiques de l'E10 devrait être publiée en
2008 ou 2009, permettant la commercialisation d'essence contenant 10% d'éthanol. Ce
changement entraînerait la consommation de 93% du quota, soit plus de 233 000 m³.
Néanmoins, la première voie de valorisation de l'éthanol défiscalisé reste l'ETBE. Pour
consommer les 87 000 m³ restants, il reste diverses possibilités :
• le lancement du marché de l'E85 et des VFF;
• l'adaptation des bus de transport en commun à l'E95;
• l'utilisation d'E-diesel dans les camions.
7.5.2 Marché de l'E85 et des VFF
Les caractéristiques de l'E85 ne sont pas définies par une norme telles l'EN 228 et l'EN 590. Il
existe par contre un compte-rendu d'atelier du CEN (Centre européen de Normalisation)
définissant les paramètres (tableau 20) et méthodes de test de l'E85 et reconnaissant l'E85
comme carburant (CEN, 2005).
Tableau 20. Principales caractéristiques de l'E85 définies par le CWA 15293:2005
Caractéristique
Minimum et/ou maximum
RON Min 95,0
MON Min 85,0
Soufre (mg/kg) Max 20
Alcools plus longs (C3 – C8) (%, v/v) Max 2,0
Méthanol (%, v/v) Max 1,0
Ethers (C5 ou plus) (%, v/v) Max 5,2
Eau (%, v/v) Max 0,3
Acidité (acide acétique) (%, m/m) Max 0,005
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Bioéthanol
Pour utiliser entièrement l'excédent d'éthanol sous forme d'E85, il faudrait que plus de
25 000 VFF parcourent 30 000 km par an (calcul basé sur la consommation moyenne d'une
Ford Taurus FF de 13,5 l d'E85/100 km, NRCan, 2003).
Cette hypothèse est peu réaliste pour deux raisons :
• impossibilité de développer un marché de ce type aussi rapidement et avec autant
d'ampleur;
• existence d’un marché potentiel de l'éthanol pour le transport routier autre que de
personnes.
Il serait toutefois pertinent de favoriser le marché E85/VFF en Belgique pour des raisons
économiques, environnementales et de citoyenneté.
Economiquement
En effet, les distributeurs indépendants de carburant sont intéressés par l'E85. Le
développement de cette filière leur permettrait de se démarquer des distributeurs classiques
en offrant un produit innovant pour le marché belge, plus respectueux de l'environnement et
répondant aux besoins d'une portion bien définie d'automobilistes : ceux possédant un VFF.
Ces distributeurs devront se fournir en E85 auprès d'un des 6 distributeurs de carburants
détenant un dépôt agréé pour effectuer les mélanges. La distribution d'E85 et E5/E10
pourrait se faire conjointement grâce à un système de distribution d'Exx (voir supra), si bien
entendu l’E5 et l’E10 sont commercialisés simultanément avec l’ETBE.
L'amont, l'aval de la distribution d'E85 et de VFF et la distribution en elle-même généreront
des retombées économiques qui devraient être estimées.
Mais avant d'en arriver là, il serait judicieux que les politiques montrent l'exemple en
remplaçant les véhicules de la fonction publique par des VFF (cf exemple de la Marne) et en
les faisant rouler à l'E85. Une campagne d'information comparant les véhicules roulant au
diesel (véhicules les plus courants en Belgique) avec les VFF devrait appuyer cette mesure
pour faire connaître au grand public le lancement de cette nouvelle filière.
Environnementalement
Faute de publication scientifique disponible sur les émissions liées à l’utilisation d’E85, on ne
peut affirmer que celles-ci sont nettement moins polluantes.
Il est par contre certain qu’en terme d’émission de CO 2 la production et la combustion
d’éthanol réduisent ces émissions qui entrent dans un cycle fermé du carbone, au contraire
des carburants fossiles. Le système de prime « basses émissions de CO 2 » devrait être
accessible aux propriétaires de ces véhicules.
Citoyenneté
D'un point de vue purement démocratique, il est important de laisser au citoyen le choix du
carburant qu'il souhaite utiliser. Si la Belgique dispose de la production d'éthanol pouvant
répondre aux besoins du marché en E85, les politiques se doivent de tout mettre en œuvre
pour la mise à disposition d'E85 aux citoyens.
7.5.3 L'E95 dans les transports en commun
Quoi de plus agréable pour les citadins que de pouvoir respirer un air plus sain, moins chargé
en poussières, suies et autres molécules nocives à la santé publique et l'environnement
issues de la combustion des carburants fossiles par les bus! L'expérience de Stockholm et
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Bioéthanol
d'autres villes suédoises montre l'intérêt de tester cette option et d'envisager le
remplacement progressif de la flotte par des véhicules roulant à l'E95.
Scania participe au consortium BEST (BioEthanol for Sustainable Transport) qui a pour but le
soutien de l'usage à grande d'échelle de l'éthanol en tant que carburant. Cela va de la
construction des stations-service d'éthanol à l'essai de voitures ou de bus urbains (Scania,
2006).
7.5.4 L'E-diesel dans les camions
L'expérience menée par Akzo Nobel sur deux camions Scania et relatée ci-dessus montre qu'il
est possible d'additionner 10% d'éthanol au diesel sans que cela n'engendre de problèmes
moteurs. Cet ajout est bénéfique pour l'environnement.
En outre, vu les quantités d'éthanol défiscalisées, et vu que les bus des transports en
commun ne pourront tous rouler à l'E95 dès la mise à la consommation des premiers litres
d'éthanol, l'utilisation d'E-diesel dans les camions constitue une possibilité intéressante.
Reste à s'assurer des garanties des constructeurs (on peut espérer que Scania maintient les
garanties sur ses véhicules en cas d'addition de 10% d'éthanol dans le diesel).
Une estimation grossière du besoin en éthanol pour la fourniture d’Ediesel à 10% d’éthanol a
été calculée sur base de l’estimation de la consommation moyenne d’un camion et du nombre
de kilomètres parcourus annuellement par les camions sur les autoroutes belges (tableau
21). Un camion consomme de 32 à 42 l/100 km environ (UPTR, communication orale). En
2002 et 2003, respectivement 3,365 et 3,387 milliards de km ont été parcourus par des
camions sur les autoroutes belges (Service Public Fédéral Mobilité, communication orale).
Cette estimation se base sur l’hypothèse d’utilisation d’Ediesel à 10% d’éthanol pour tous les
camions.
Tableau 21. Estimation du besoin en éthanol
Année Diesel consommé (M l) Diesel consommé (ktep) Besoin en éthanol (ktep)
2002 Min 1076,8 909 91
Max 1413,3 1193 119
2003 Min 1083,8 915 92
Max 1422,5 1201 120
Besoin moyen en
éthanol (ktep)
Le tableau 21 montre que pour couvrir les besoins des camions utilisant les autoroutes
belges, plus de 105 000 tep d’éthanol seraient nécessaires annuellement. Cette estimation
donne une idée d’ordre de grandeur, les distances parcourues sur les routes n’étant pas
prises en compte. Par ailleurs, les autoroutes belges sont empruntées par un grand nombre
de camions étrangers qui ne s’approvisionnent pas nécessairement en carburant en Belgique.
Néanmoins, cette possibilité de valorisation est intéressante : elle ne nécessite pas ou peu
d’adaptation des véhicules, réduit les émissions polluantes de ces véhicules et représente un
potentiel intéressant pour l’industrie productrice d’éthanol.
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