II.5.1.3. L'alcool : le bioéthanol
Le bioéthanol est l'éthanol d'origine biologique
et agricole obtenu par fermentation du sucre extrait de la plante
sucrière ou par hydrolyse enzymatiques de l'amidon contenu dans les
céréales. Il est utilisé comme biocarburant dans les
« moteurs à essence ».
Les végétaux contenant du saccharose (betterave,
canne à sucre...) ou de l'amidon (blé, maïs...) peuvent
être transformés pour donner du bioéthanol, On parle
généralement de filière "sucre" pour désigner cette
filière de production du bioéthanol.
Cet éthanol d'origine végétale n'est rien
d'autre que de l'alcool éthylique, le même que celui que l'on
trouve dans toutes les boissons alcoolisées. Il peut être
mélangé à l'essence en des proportions allant de 5
à 85 %, on parle alors de carburant E5 (éthanol 5%) a E85.
Au-delà de 10 %, des adaptations aux moteurs de voitures sont souvent
nécessaires.
Figure II.5 : Différentes voies conduisant à la
fabrication d'alcool de première génération
à
partir de biomasse sucrée ou amylacée
Prétraitement
Source : (BLIN J., 2008)
`'Opportunités d'utilisation des biocarburants et leur
impact sur l'environnement socio-économique de la R.D.C». «
Cas de Mbankana dans le plateau des Batéké »
Les tableaux II.5 et II.6 donnent respectivement les principales
matières premières utilisées pour la production
d'éthanol avec les rendements de production d'éthanol.
Tableau II.5 : Rendements des plantes sucrières et leur
potentiel alcooligène.
|
Plante sucrière
|
Rendement éthanol l/t
plante
|
Rendement énergétique TEP/ha
|
|
Betterave
|
92
|
3,3 - 3,5
|
|
Canne à sucre
|
85
|
3,5 - 4
|
|
Sorgho sucrier
|
80
|
2 - 2,5
|
Source : (Ballerini, D., 2007)
Il ressort de ce tableau que le rendement d'éthanol en
litre par tonne de plante le plus élevé est celui de la Betterave
à sucre, suivie de la canne à sucre ensuite vient le sorgho
sucrier. Et le rendement énergétique par tonne équivalent
pétrole (TEP) par hectare de plantation la plus élevé est
celui du Betterave et la canne à sucre suivie du sorgho à
sucrier.
Tableau II.6 : Rendements en alcool des céréales
et leur potentiel alcooligène
|
Céréale
|
Rendement éthanol l/t
grain
|
Rendement énergétique TEP/ha
|
|
Blé
|
370
|
1,4 - 1,6
|
|
Maïs
|
400
|
1,5 - 1,7
|
|
Orge
|
320
|
0,8 - 1,2
|
Source : (Ballerini, D., 2007)
Il ressort de ce tableau que le rendement d'éthanol en
litre par tonne de grain le plus élevé est celui du maïs,
suivie du blé ensuite vient enfin l'orge. Et le rendement
énergétique par tonne équivalent pétrole (TEP) par
hectare de plantation la plus élevé est celui du Maïs,
suivie du Blé et enfin vient l'orge.
II.5.1.3.1 Production d'éthanol
Pour les matières sucrières, la première
opération consiste à extraire le glucose (et le fructose) qui est
le substrat carboné à partir duquel on obtient l'éthanol.
Lors de l'opération d'extraction du saccharose contenu dans ces
matières premières on obtient :
- Du glucose et du fructose (jus sucré) par lavage avec de
l'eau dans le cas de la betterave et par pressage dans le cas de la canne
à sucre.
- Des pulpes dans le cas de la betterave et des bagasses dans le
cas de la canne à sucre.
Pour les matières amylacées et cellulosiques, on
effectue une hydrolyse par voie enzymatique ou par voie chimique (après
nettoyage, broyage et liquéfaction) pour obtenir le glucose. Les sucres
fermentescibles obtenus sont soumis à une fermentation. L'éthanol
obtenu est ensuite distillé.
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impact sur l'environnement socio-économique de la R.D.C». «
Cas de Mbankana dans le plateau des Batéké »
a) La fermentation
Les sucres fermentescibles sont convertis en éthanol
en présence de micro-organismes (levures et bactéries) en
anaérobiose partielle, à 32-33°C, en milieu acide à
pH (4 à 6) constant. En voici la réaction chimique :
L'opération s'effectue le plus souvent en continu. Les
levures sont séparées de l'éthanol en fin de cycle puis
recyclées à plus de 80%. Les distilleries actuelles se
caractérisent par des rendements de 90 à 92% du rendement
théorique (environ 46 kg d'éthanol pour 100 kg de sucre
initial).
Pendant très longtemps, la fermentation a
été opérée en discontinu ou semi-continu. Cette
mise en oeuvre simple se justifiait par les petites tailles d'installations
industrielles. C'est la technologie de fermentation continue en cascade qui
s'est imposée de nos jours, en particulier pour la construction de
grosses unités, entraînant des effets d'échelle qui se
traduisent par une baisse des coûts de productions.
b) L'extraction de l'éthanol par distillation
L'éthanol étant produit en phase aqueuse il est
extrait par distillation du jus issu de la fermentation. Cette phase consomme
beaucoup d'énergie. Elle comprend deux distillations successives :
- une première distillation, qui est une distillation
classique, permet d'obtenir de l'éthanol à environ 95% (une
teneur voisine de l'azéotrope)
- Une deuxième distillation azéotropique qui
conduit à de l'éthanol pratiquement anhydre (99,8% en volume).
Elle s'effectue avec des solvants entraîneurs (cyclohexane, le
diéthyléther, etc.) ou par déshydratation sur tamis
moléculaires, utilisant la technologie PSA (« Pressure Swing
Adsorption »).
c) Les effluents et coproduits
Les principaux coproduits et effluents issues de la production
d'éthanol varient selon la matière première
utilisée. Ainsi, on a :
> Pour la fabrication d'éthanol à partir de
betteraves sucrières on obtient :
- des pulpes sèches à 90 % de MS, utilisées
en alimentation animale (une tonne de betteraves conduit à la production
de 0,78 t pulpes/t éthanol) ;
- les vinasses (riches en sels et contenant encore des
matières organiques non fermentescibles en éthanol)
récupérées au pied de la colonne de distillation
conventionnelle. Elles peuvent être épandues en tant qu'amendement
sur les terres agricoles, à raison de 3 tonnes maximum par hectare.
Elles sont aussi concentrées pour être utilisées dans les
formulations alimentaires animales, ou bien méthanisées.
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impact sur l'environnement socio-économique de la R.D.C». «
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> Pour la canne à sucre et sorgho on obtient :
- les vinasses ;
- la bagasse, résidu solide des étapes de
broyage-pressage de la canne à sucre. Elle est principalement
utilisée à des fins énergétiques pour couvrir les
besoins en énergie de l'étape de la distillation et la fourniture
d'électricité au niveau de l'usine et du réseau voisin.
> Pour les plantes céréalières
(maïs, blé), le ((dry milling» qui est la technologie la plus
employée à l'heure actuelle, permet de traiter le grain entier.
On obtient :
- des vinasses dont une partie est recyclée à
l'étape de liquéfaction et une autre partie est concentrée
;
- des matières solides (drèches) qui sont
mélangées à la phase concentrée des vinasses puis
séchées. Ces drèches (encore désignées sous
l'abréviation DDGS, Distiller's Dried Grain Solubles) sont
utilisées en alimentation animale.
II.5.1.3.2. Utilisation de l'éthanol comme
carburant dans les moteurs
L'éthanol peut être utilisé comme
carburant dans les moteurs sous différentes formes (en mélange ou
pur) et dans diverses technologies moteurs (moteurs classiques, (( flex-fuel
vehicle »...).
Ses caractéristiques physico-chimiques sont proches de
celles de l'essence mais il présente quelques spécificités
qui nécessitent des conditions d'utilisation particulières. Le
tableau II.7 donne les principales caractéristiques de l'éthanol.
En tant que carburant pour les moteurs à (( essence », ses
principaux avantages et inconvénients sont décrits ci-dessous
:
a) Avantage :
|
Indice d'octane plus élevé, de l'ordre de 110,
contre environ 90 à 98 pour l'essence.
miscibilité en toutes proportions avec les essences,
densité proche de celle des essences,
présence d'oxygène dans la structure qui favorise
la combustion,
chaleur latente de vaporisation élevée qui
améliore l'efficacité du remplissage de la chambre de
combustion.
|
b) Inconvénients :
contenu énergétique plus faible dO à la
présence de l'oxygène,
augmentation de la pression de vapeur conduisant à une
augmentation des émissions par évaporation, et un risque
élevée de formation de bouchon de vapeur par temps très
chaud et en haute altitude (dans le cas des mélanges), attaques de
certains matériaux (caoutchouc, matériaux oxydables...). Il est
recommandé d'utiliser pour les moteurs de véhicules roulant
à l'éthanol des matériaux tels que l'acier inoxydable et
le bronze, et de prohiber le magnésium, le laiton, le zinc ou encore le
cuivre,
émission d'aldéhydes.
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Tableau II.7 : Quelques caractéristiques
physico-chimiques de l'éthanol et de l'essence
|
Essence
|
Bioéthanol (95)
|
|
Densité (kg/dm3)
|
0,75
|
0,79
|
|
Pouvoir calorifique inférieur (kJ/kg)
|
44 000
|
26 900
|
|
Pouvoir comburivore (g air/g carburant)
|
14,6
|
8,9
|
|
Point d'ébullition (°C)
|
27 - 225
|
78
|
|
Pression de vapeur à 38°C (kPa)
|
48 - 103
|
15,9
|
|
Point d'éclair (°C)
|
-43
|
13
|
|
Point d'auto inflammation (°C)
|
257
|
423
|
|
Indice d'octane (indice d'octane recherche)
|
98
|
106
|
Source: (FIKRET Y., 2004) et (BEDRI Y., 2004) > Utilisation
des mélanges éthanol anhydre/essence
L'éthanol anhydre peut être incorporé
à l'essence à des proportions variantes :
- de 5 et 10% (comme en Europe (5% maximum) ou aux
États-Unis (10% maximum)) ou même entre 20 et 24% (comme c'est le
cas au Brésil). Ces mélanges sont utilisables dans les moteurs
à « essence » classiques sans aucune modification (VAITILINGOM
G., 2007).
- de 0 à 85% dans les moteurs utilisant la technologie
FFV (« Flex Fuel Vehicle »). Cette technologie permet d'utiliser
indifféremment de l'éthanol ou de l'essence ou un mélange
des deux en toutes proportions. Elle est répandue au Brésil, aux
États-Unis en Suède, en France etc. Son emploi suppose
l'utilisation de nouveaux moteurs adaptés.
Pour conserver les performances, en maintenant
l'agrément de conduite et en respectant les exigences
réglementaires en terme de rejets polluants, cette technologie a pris en
compte les caractéristiques les plus éloignées des
essences et de l'éthanol (contenu énergétique et en
oxygène du carburant, caractéristiques de vaporisation et
d'initiation de la combustion, interaction carburant-matériaux).
Au stade de développement actuel de ces modèles, un
véhicule FFV consomme en moyenne 28% (en volume) de plus qu'un
modèle similaire à essence.
> Utilisation de l'éthanol hydraté
L'éthanol peut être utilisé pur dans des
moteurs ayant fait l'objet d'adaptations particulières (débits
plus importants des organes d'alimentation, taux de compression
élevés, etc.). Dans ce cas, l'éthanol peut contenir 6
à 8% d'eau sans être gênante (éthanol
hydraté). Ces types d'applications ont été
développés au Brésil depuis les années 1975
à la suite du programme « proalcool » du gouvernement
brésilien. Les difficultés relatives aux inconvénients de
l'éthanol carburant sont prises en compte dans ces types d'applications
(Vaitilingom G., 2007).
`'Opportunités d'utilisation des biocarburants et leur
impact sur l'environnement socio-économique de la R.D.C». «
Cas de Mbankana dans le plateau des Batéké »
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