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Séminaire Agrocarburants et développement durable – Grenoble, 28-29/01/2008
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Controlled CO2 | Diversified fuels | Fuel-efficient vehicles | Clean refining | Extended reserves
Production d'éthanol par conversion biologique de biomasse lignocellulosique
Frédéric Monot - IFPAgrocarburants et développement durable, Grenoble, 28/01/08
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Ethanol de seconde génération
Le contexte Le procédé
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Bioéthanol: le contexte (1)
Production capacities
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
12,00
14,00
16,00
18,00
Europe Amérique duNord
Amériquecentrale et du
Sud
Asie/Pacifique Afrique
Mt
Biodiesel
Bioéthanol
Biofuel production in 2006
NorthAmerica
Central and South
America
Europe Asia/Pacific
Africa
BiodieselBioethanol
L'éthanol : l'agrocarburant le plus répandu actuellement
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Bioéthanol: le contexte (2)
La taille de ce cinquième niveau est étudiée pour servir éventuellement de légende aux photos.
0
50
100
150
200
250
Mill
ion
s d
e t
on
ne
s
Essence
Gazole
Vehicle Fuel demand: unbalance in favour of diesel oil ... in EU
Diesel oil
Gasoline
Mto
ns
Source: Petroleum Economics Ltd
GasolineDiesel
USA
Une demande en essence toujours forte au niveau mondial
GasolineDiesel
World
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Bioethanol: Le contexte (3)
2005: 2 % 2010: 5.75 % (9 Mt EtOH) 2020: 10 % (13 Mt EtOH)
(% in energy content) Roadmap may depend upon States, e.g. France
In USA 2015 : 15 % EtOH in gasoline 90 Mt EtOH (50% corn = 45
Mt !) 2030 : 30 % EtOH in gasoline 160 Mt EtOH
Liquid biofuel blending share targets (EC)
European Council, March 8-9, 2007, conclusions:A minimum ratio of 10% biofuels of the total consumption of gasoline and diesel oil for transportation in EU, this target having to be achieved by 2020 in all Member States, at a reasonable cost. This target is justified, if the production has a sustainable feature, if second generation biofuels are on the market and the directive on the quality of biofuels has to be modified accordingly to plan the suitable blending levels.
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e
Hemicellulose
Cellulose
Bioéthanol : le contexte (4)Les polymères pariétaux de la biomasse lignocellulosique
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Biomass Lignin (%) Cellulose (%) Hemicellulose (%)
Softwood 27-30 35-40 25-30
Hardwood 20-25 45-50 20-25
Wheat straw 15-20 33-43 20-25
La biomasse lignocellulosique : une matière première de composition variable
Bioéthanol : le contexte (5)
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CelluloseCellulose Lignine Lignine
HemicelluloseHemicellulose
Bidlack et al., 1992, Proc. Okla Acad Sci., 72: 51-56
Bioethanol: le contexte (6)Les parois végétales : une structure complexe
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Quatre étapes principales
Le procédé (1) : la production d'éthanol ex BLC
Biomasse Prétraitement Hydrolyse
Fermentation
DistillationSéchage
ligninecellulosehémicellulose
ligninecellulose
hémicellulosehydrolysée lignine
glucose
éthanol
éthanol anhydre
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Le prétraitement aim: making cellulose available to the action of
enzymes or catalysts (sometimes leads to fractionation, e.g. hemicellulose hydrolysis)
technology: physical-chemical, several competing technologies (steam explosion, diluted acid, thermohydrolysis at 200°C, ...)
constraints: energy consumption, degradation of sugars, formation of toxic compounds, continuous feeding of reactors under pressure, corrosion, dry matter concentration
Bioéthanol: le procédé (2)Le prétraitement
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Explosion à la vapeur de paille de blé
Bioéthanol: le procédé (3)Le prétraitement
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L'hydrolyse conduit à l'obtention d'un sucre fermentescible, le
glucose, catalysée par des acides forts ou des enzymes
(cellulases); catalyse enzymatique aussi efficace que l'hydrolyse
acide, n'engendre pas de déchets et est conduite dans des conditions douces de température et pression;
l'hydrolyse enzymatique de la cellulose est plus difficile que celle de l'amidon et est beaucoup plus coûteuse
Bioéthanol: le procédé (4)L'hydrolyse
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Fermentation procédé semblable à la fermentation de l'amidon (levure) mais : présence de lignine = limitation de la concentration initiale en
glucose (teneur en matière sèche limitée) et donc de la teneur finale en éthanol,
présence éventuelle de composés toxiques libérés lors du prétraitement,
les sucres à 5 atomes de carbone issus des hémicelluloses ne sont pas convertis efficacement en éthanol.
souches modifiées et améliorées
Distillation identique à la distillation d'éthanol classique nécessité de déshydrater pour un usage carburant
Bioéthanol: le procédé (5)La fermentation et la distillation
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Bilan masse dépendant de la matière première (1 t MS)
Exemple : teneur en cellulose = 40 % (m/m)(hémicellulose : 25 % -20% xylanes, lignine : 20% )
Rdts : prétraitement 93% hydrolyse 85 % fermentation 46 %
Ethanol final : 160 kg (rdt = 70% / théorique) + potentiellement 200 kg xylanes + 200 kg lignine + potentiellement 86 kg éthanol ex C5
Bioéthanol: le procédé (6)Bilans
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Bioéthanol: le procédé (7)Coûts
Concentration vinasses
8% Prétraitement14%
Séparation des sucres11%
Production d'enzymes
22%Hydrolyse enzymatique
12%
Fermentation glucose
13%
Fermentation xylose
8%
Distillation12%
Vision US DOE :$ 2.5/gal ($ 0.7/L) en 2005 : $ 1.31/gal ($ 0.36/L) en 2012
(contribution enzyme: 0.5 to 0.05 $/gal, contribution MP : 0.8 to 0.3 $/gal)
Répartition investissements
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• Efforts R&D• Hydrolyse enzymatique :
•obtenir des enzymes plus efficaces•diminuer le coût de production des enzymes
•Prétraitement•choix technologiques à effectuer : un bon prétraitement doit déstructurer la paroi végétale sans détruire les sucres (baisse du rendement et production d'inhibiteurs)
•Fermentation•conversion des pentoses en éthanol•résistance aux inhibiteurs
•Intégration du procédé•diminuer les consommations d'énergie•diminuer les demandes en eau
•Validation en pilote/démo
Bioéthanol lignocellulosique : conclusions
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1. Europe
• Sekab E-Technology (ex Etek) :
(2 t/d) in Sweden (NILE)
Wood
• Biogasol (DK)
• Greencell (Abengoa Bioenergy)Location: Salamanca (Spain)Raw material: wheat and barley strawCapacity : 4000 t/y ethanol (70 t/d raw material)Starting in 2007
Main current projects (1)
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2. America
• Iogen : Canada (30 t/d)
• Verenium (Louisiana) 3.5 t/d
NREL (USA)
• Abengoa (York)
Main current projects (2)Pilot plants
source : Celunol
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• Abengoa : 34 000 t EtOH/y (corn stover, straws, switchgrass).
• Iogen : 54 000 t EtOH/y (straw, corn residues, switchgrass)
• POET (Broin & Associates) : 80 000 t EtOH/an (corn cobs), integration in a production unit from corn-grain (cellulosic ethanol = 25 % total capacity)
• Verenium: Celunol process
USA : Demo units
Main current projects (3)