Recherche DOE : 10 biocarburants peuvent réduire les émissions de gaz à effet de serre de 60 %
La recherche Co-Optima du DOE identifie des voies de biocarburants à fort impact
Deux études examinées par les pairs du Laboratoire national d’Argonne du Département de l’Énergie des États-Unis, produites en collaboration avec le NREL, le PNNL et l’INL, ont révélé une découverte significative pour la transition énergétique mondiale à faible carbone : 10 voies spécifiques de production de biocarburants peuvent réduire les émissions de gaz à effet de serre (GES) sur l’ensemble du cycle de vie d’environ 60 % par rapport à l’essence fossile conventionnelle.
La recherche a été menée dans le cadre du programme Co-Optimization of Fuels and Engines (Co-Optima) du DOE, dirigé conjointement par le Bureau de l’efficacité énergétique et des énergies renouvelables, le Bureau des technologies bioénergétiques et le Bureau des technologies automobiles. Le consortium Co-Optima comprend neuf laboratoires nationaux et plus de 20 partenaires universitaires et industriels, tous axés sur l’innovation simultanée dans la chimie des carburants et la conception des moteurs.
L’outil d’analyse principal utilisé dans les deux études est le modèle GREET d’Argonne (Greenhouse Gases, Regulated Emissions and Energy Used in Technology)—le cadre de référence de l’industrie pour le comptage des GES sur le cycle de vie dans les systèmes de carburant et d’énergie.
“Nous sommes à l’intersection de nouvelles innovations dans les moteurs et les biocarburants”, a déclaré Troy Hawkins, responsable du groupe carburants et produits d’Argonne. “Concevoir des carburants et des moteurs à faible carbone pour fonctionner ensemble peut maximiser l’efficacité énergétique et la performance des véhicules.”
Deux plates-formes moteur, plusieurs voies de matières premières
Étude 1 — Moteurs à combustion interne multi-mode (véhicules de tourisme)
Les chercheurs ont examiné 12 voies de production de biocarburants optimisées pour les moteurs à combustion interne multi-mode—des systèmes capables de passer entre les modes d’allumage et de combustion en fonction des conditions de conduite. Les matières premières incluaient des déchets de bois, des tiges de maïs et d’autres sous-produits agricoles et forestiers. Les technologies de conversion appliquées étaient la fermentation, la catalyse à haute pression/haute température (HPHT), et des combinaisons hybrides des deux.
Sur les 12 voies évaluées, sept se sont avérées compétitives en termes de coûts par rapport aux coûts actuels des carburants pétroliers, sur la base d’une analyse techno-économique du NREL et du PNNL. De manière critique, dix des douze ont montré des réductions de GES d’environ 60 % dans les évaluations du cycle de vie GREET. Les classes de carburants identifiées incluent des alcools, des mélanges de furan et des alchènes.
Étude 2 — Moteurs à allumage commandé à compression hybride (Fret/Diesel)
La deuxième étude a élargi l’analyse à 25 voies de production ciblant les moteurs à cycle diesel utilisés principalement dans le fret commercial. Les matières premières variaient des matières premières lignocellulosiques (coques de bois, tiges de maïs) aux huiles d’origine végétale (soja, papaye) en passant par des flux de déchets humides et de la graisse recyclée. Les technologies de conversion incluaient la fermentation, la gazéification et la liquéfaction hydrothermale.
Douze des 25 voies ont atteint des réductions de GES sur le cycle de vie dépassant 60 %. La plupart des voies étaient compétitives en termes de coûts par rapport aux prix actuels du gaz naturel. Damon Hartley, responsable du groupe de recherche et d’analyse opérationnelle de l’INL, a noté que bien que la diversité des ressources de biomasse disponibles représente un potentiel de remplacement substantiel pour les carburants et produits chimiques d’origine pétrolière, la variabilité de la qualité des matières premières demeure un défi technique majeur affectant la constance de la conversion.
Implications pour l’approvisionnement en matières premières de biomasse industrielle
Les matières premières de biomasse au centre des deux études du DOE—déchets de bois, résidus agricoles, sous-produits forestiers—sont précisément les matières premières que les lignes de production de granulés de biomasse à l’échelle industrielle sont conçues pour traiter. À mesure que les cadres politiques et les investissements privés s’alignent de plus en plus autour des voies de carburants à faible carbone vérifiées, la capacité de conversion de matières premières fiable et à fort volume devient une exigence stratégique de la chaîne d’approvisionnement.
Les lignes de production de granulés de biomasse humide de Kingwood sont conçues pour traiter des matières premières de biomasse à forte humidité à grande échelle, intégrant le concassage, le broyage grossier, le séchage, le broyage fin, la granulation et l’emballage automatisé en un seul processus clos. Les configurations de lignes de production peuvent être conçues pour produire jusqu’à 200 000 tonnes métriques par an, le système complet incorporant un retrait de poussière intégré et une automatisation conforme au Cadre des Trois Standardisations de Kingwood pour la conception de lignes de granulés industrialisés.
Pour les opérateurs fournissant des matières premières de biomasse aux marchés de biocarburants ou de combustion directe, la sélection de l’équipement affecte directement les métriques de qualité des sorties, y compris la teneur en humidité, la valeur calorifique et la teneur en cendres. Les granulés de biomasse produits sur ces lignes par Kingwood atteignent une valeur calorifique de 4 800 kcal/kg, une teneur en humidité inférieure à 15 %, une teneur en soufre inférieure à 0,3 % et une teneur en cendres inférieure à 18 %—des spécifications alignées sur les exigences du marché de l’UE, de l’ISO et des États-Unis.
Les chercheurs du DOE soulignent que l’analyse du cycle de vie et la modélisation techno-économique devraient guider les décisions des parties prenantes en début de projet sur la sélection des voies et l’investissement dans les infrastructures. Pour l’acquisition d’équipement, le même principe s’applique : la planification de capacité pour une ligne de production de granulés de biomasse nécessite une caractérisation détaillée des matières premières et une ingénierie de processus avant un engagement de capital.
Les chercheurs de Co-Optima notent que, bien que les études actuelles se concentrent sur les carburants de transport, Argonne étend activement l’analyse des voies de biocarburants aux secteurs difficiles à électrifier, y compris l’aviation et la navigation—des marchés qui dépendent également de porteurs d’énergie dérivés de la biomasse, denses et stables, tels que le combustible solide en granulés.
“Le DOE travaille à développer des solutions de décarbonisation durables pour le secteur des transports,” a déclaré Hawkins. “Nous continuerons d’élargir le travail important de Co-Optima.”
Kingwood (Jiangsu Kingwood Industrial Co., Ltd.) est un fabricant d’équipements de granulés de biomasse dont le siège est situé dans le parc industriel Zhongguancun de Liyang, dans la province du Jiangsu, en Chine. Fondée en 1999, Kingwood a soutenu des projets de lignes de production de biomasse dans 30 pays et détient les certifications ISO 9001, ISO 14001 et CE. Code boursier : 871765 (NEEQ).
FAQ
Dans quelle mesure les biocarburants peuvent-ils réduire les émissions de gaz à effet de serre par rapport à l'essence fossile ?
Selon l'analyse du cycle de vie utilisant le modèle GREET du DOE, 10 voies de biocarburants identifiées ont le potentiel de réduire les émissions de gaz à effet de serre d'environ 60 % par rapport à l'essence fossile conventionnelle.
Quels laboratoires nationaux américains ont mené la recherche sur les biocarburants ?
La recherche a été menée par le Laboratoire national d'Argonne en collaboration avec le Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL), le Laboratoire national du Pacifique Nord-Ouest (PNNL) et le Laboratoire national de l'Idaho (INL), dans le cadre du programme de co-optimisation des combustibles et des moteurs (Co-Optima) du DOE.
Quelles matières premières de biomasse ont été évaluées dans les études sur les biocarburants du DOE ?
Les chercheurs ont évalué les matières premières, y compris les sous-produits agricoles et forestiers tels que les déchets de bois et les tiges de maïs, les huiles d'origine végétale provenant de soja, les déchets humides et la graisse recyclée. Ceux-ci s'alignent étroitement avec les intrants en matières premières utilisés dans les lignes de production industrielles de pellets de biomasse.
Les voies de production de biocarburants sont-elles compétitives en termes de coûts avec les combustibles fossiles ?
Les évaluations techno-économiques menées par NREL et PNNL ont révélé que la plupart des filières de biocarburants évaluées sont compétitives en termes de coûts par rapport aux prix actuels des carburants pétroliers, bien que les chercheurs mettent en garde contre le verrouillage des prix en raison de la volatilité sur les marchés du gaz naturel.
Quels types de moteurs ont été ciblés dans les études sur les biocarburants du DOE ?
Deux catégories de moteurs ont été étudiées : les moteurs à combustion interne multi-mode pour les véhicules de tourisme et les moteurs à allumage par compression (diesel) contrôlés par hybride principalement utilisés dans le transport de fret. Les biocarburants ont été évalués pour leur performance, leurs émissions et la flexibilité des matières premières dans les deux contextes.
Quelles classes chimiques de biocarburants ont montré le potentiel de réduction des gaz à effet de serre le plus élevé ?
L'analyse du cycle de vie GREET a identifié les alcools, les mélanges de furanes et les alcènes comme étant parmi les classes de biocarburants ayant le plus grand potentiel de réduction des GES—jusqu'à 60% en dessous des références de l'essence fossile.
Comment la recherche sur les biocarburants du DOE est-elle liée à la production industrielle de pellets de biomasse ?
Les matières premières mises en évidence dans la recherche du DOE—déchets agricoles, résidus agricoles, sous-produits forestiers—sont les mêmes matières premières traitées dans les lignes de production de pellets de biomasse industrielles de Kingwood. Alors que la demande pour le combustible biomasse à faible émission de carbone augmente, l'équipement de production de pellets à haute capacité devient un élément clé de la chaîne d'approvisionnement.