CARBURANTS ET BIOCARBURANTS

1) Carburants classiques
1-1) Leur composition :
Les essences sont des mélanges complexes d'hydrocarbures saturés ou non, linéaires, ramifiés, cycliques et aromatiques dont les températures d'ébullition se situent entre 40°C et 180°C environ, comportant de 6 à 10 atomes de carbone. Leur composition exacte dépend de l'origine du pétrole brut dont ils dérivent et des conditions de raffinage de celui-ci.

On peut donner pour fixer les idées, une composition moyenne :

- 30 à 45% d'alcènes

- 30 à 45% d'hydrocarbures aromatiques

- 20 à 30% d'alcanes

- 5% de cycloalcanes
Les gazoles destinés aux véhicules diesel correspondent à des hydrocarbures de même type mais comportant de 13 à 17 atomes de carbone et dont les points d'ébullition se situent entre 230 et 305°C environ.

(voir aussi "Les pétroles").
1-2) Performances des carburants :

1-2-1) Indice d'octane :
Depuis 1920 on caractérise la qualité d'une essence par son comportement au moment de la combustion comparé à celui de deux alcanes : l'heptane,

peu résistant à l'auto-inflammation (c'est-à-dire à l'inflammation spontanée par compression) et le 2,2,4-triméthylpentane (isooctane)

très résistant à l'auto-inflammation.
On attribue à l'heptane le nombre (dit indice d'octane) 0 et à l'isooctane un indice d'octane de 100.
Pour attribuer un indice d'octane à une essence, on augmente progressivement la compression de cette essence jusqu'à ce que l'auto-inflammation se produise dans la chambre de combustion d'un moteur (Les ingénieurs appellent à tort cette auto-inflammation, le cliquetis) ; on recherche ensuite le mélange heptane-isooctane qui se comporte de la même manière. La composition (en isooctane et en %) de ce mélange correspond à l'indice de l'essence.
Suivant les conditions opératoires (vitesse de rotation du moteur, température du mélange air-carburant) on distingue deux types d'indice d'octane : l'indice RON (Research Octane Number) ou MON (Motor Octane Number), le deuxième étant inférieur au premier d'environ dix points. En Europe une essence doit avoir un indice RON minimal de 95 et MON de 85.
Il faut augmenter les indices d'octane des essences sortant des raffineries car celles-ci ont des indices médiocres. Pour cela on y incorpore des additifs. Autrefois on y ajoutait du plomb tétraéthyle Pb(C₂H₅)₄ (voir annexe 1) produit aujourd'hui interdit car il se répand dans l'atmosphère qu'il pollue. Les composés de substitution (qui font que l'essence actuelle est dite "sans plomb" ) sont le MTBE (méthyltertiobutyléther) et l'ETBE (Ethyltertiobutyléther) (voir annexe 2).
1-2-2) Indice de cétane :
Indice déterminé en laboratoire, qui mesure l'aptitude d'un gazole à l'auto inflammation dans un moteur diesel par compression : on injecte le carburant sous haute pression dans l'air comprimé et l'inflammation naît spontanément après un temps très court, de l'ordre de 1 milliseconde. Plus l'indice est élevé, plus le délai d'inflammation du carburant est court. L’échelle des indices de cétane varie de 0 à 100.
On attribue l’indice 0 à l’a-méthylnaphtalène

et l’indice 100 à l’hexadécane (C₁₆H₃₄) encore appelé cétane. L’exigence européenne pour un gazole est l’indice 51, mais on en trouve qui ont des indices supérieurs (55).

2) GPLc, GNC et GNL

2-1) Le GPLc

Il fait partie des carburants les plus récents. C'est l'abréviation de gaz de pétrole liquéfié ; il est utilisé comme carburant.

C'est un mélange d'hydrocarbures (butane et propane notamment) sous forme liquide dont 40% environ résultent du raffinage du pétrole et les 60% restants de l'extraction du gaz naturel. On peut trouver aussi 0,5 % d'hydrocarbures légers comme le butadiène par exemple.

Depuis 2017 on y introduit du biogaz qui provient de la fermentation de déchets domestiques.

Le butane et le propane sont des gaz à la pression atmosphérique habituelle ; pour les liquéfier il faut les comprimer, le butane à 1,7 bar, le propane à 7,5 bars soit respectivement 0,17 Mégapascal (Mpa) et 0,75 Mpa. Le mélange comprimé à 7,5 bars sera donc liquide.

Les deux principaux gaz constituant le GPLc ont des masses volumique à l'état gazeux (15°C et 1013 mbar) de respectivement 2kg/m³ environ pour le propane et 2,5kg/m³ pour le butane. La masse volumique de l'air étant dans ces conditions d'environ 1,2 kg/m³.

Lorsqu'ils sont détendus dans l'atmosphère, les deux gaz qui le constituent, plus denses que l'air, s'accumulent au niveau du sol. On comprend alors pourquoi les véhicules utilisant le GPLc comme carburant ne peuvent pas stationner dans les parkings souterrains ; en cas de fuite, ce mélange de gaz accumulé au niveau du sol risque d'exploser au contact d'une étincelle ou d'une flamme.

Ce carburant, en perte de vitesse est surtout utilisé pour les véhicules légers.

2-2) Le GNC et le GNL

- Le GNC :

Il s'agit de gaz naturel comprimé.

C'est du gaz naturel, essentiellement composé de méthane (95%) stocké dans des réservoirs dont la pression atteint 200 bars à température ambiante.

Sa masse volumique à pression et température ordinaires est d'environ 0,7 kg/m³, inférieure à celle de l'air. En cas de fuite, le gaz se répand dans l'atmosphère, le risque d'accumulation est moindre et en aérant on peut le disperser.

Les véhicules qui utilisent ce carburant peuvent stationner dans les parkings souterrains.

Le GNC est surtout utilisé pour le transport maritime.

- Le GNL :

Il s'agit de gaz naturel liquéfié.

On refroidit le gaz naturel à -161°C à la pression ordinaire pour le liquéfier.

Le GNL est le carburant des camionnettes pour transport des marchandises sur des moyennes distances et des véhicules légers

Remarques :

· GNC et GNL font partie de la famille des gaz naturels pour véhicules, les GNV.

· Il existe la version renouvelable des GNV que l'on désigne par BioGNV et qui utilise le biométhane obtenu à partir de déchets organiques : agricoles, ménagers, industriels, ordures ménagères ou issu de l'industrie agro-alimentaire, de la restauration collective ou encore des boues des stations d'épuration.

3) Les biocarburants

3-1) Deux filières :
Les biocarburants sont des carburants issus de matière végétale (appelée biomasse).
Les pétroles dont sont issus les carburants classiques, font partie des énergies dites fossiles (ils se sont formés au cours des ères géologiques par décomposition d'organismes marins sous l'action de microorganismes anaérobies ).
Les biocarburants, eux, font partie d'énergies renouvelables.
On distingue la filière "sucres" qui conduit à l'éthanol (qualifié alors de bioéthanol) ou à des dérivés (ETBE), et la filière "huiles végétales" qui conduit à des esters méthyliques.

3-2) La filière "sucres" :
Deux procédés :
- On extrait de la betterave à sucre ou de la canne à sucre, des jus sucrés que l'on fait fermenter. La réaction de fermentation du glucose est :
C₆H₁₂O₆ 2 CH₃-CH₂-OH + 2 CO₂
- On extrait des matières amylacées (amidon...) de céréales (froment, maïs). Ces matières sont hydrolysées en milieu acide pour obtenir du glucose que l'on fait fermenter.
L'éthanol et l'ETBE qui peut en dériver sont de bons carburants (Pouvoir calorifique élevé : 21700kJ/kg pour l'éthanol, 28900kJ/kg pour l'ETBE contre 35600kJ/kg pour l'isooctane). On les mélange à l'essence (5% d'éthanol dans le biocarburant commercialisé en France, 15% d'ETBE dans le biocarburant commercialisé dans le reste de l'Europe). Jusqu'à 20% d'éthanol, les moteurs classiques fonctionnent sans problème, au delà une adaptation de ces moteurs est nécessaire.

Bilan CO₂ dans l'atmosphère :
En terme de CO₂ rejeté dans l'atmosphère on pourrait penser que le bilan de la filière bioéthanol est nul. En effet, en théorie, la combustion du bioéthanol produit une quantité de CO₂ égale à celle qui a été nécessaire pour le synthétiser par photosynthèse au moment de la croissance de la plante. En fait les choses sont moins simples et on calcule (en comptabilisant la production totale de CO₂ lors de la culture, de la récolte, de la transformation, du transport, de la distribution) qu'un biocarburant (de la filière bioéthanol) utilisé à 10% dans l'essence ferait gagner 4% environ de CO₂ par rapport à un carburant classique.

3-3) La filière "huiles végétales" :
Elle est appelée à remplacer les carburants de type gazole. Les huiles végétales sont des mélanges de triesters du glycérol et d'acides gras (voir annexe 4 - voir aussi le document huiles et matières grasses).
On effectue une transestérification (voir annexe 3) de ces triesters pour les transformer en esters méthyliques qui constituent un carburant utilisable dans les moteurs diesel ("biodiesel"), d'où le nom de Diester ® (de Diesel ester). C'est l'huile de colza qui constitue la principale source de carburants de la filière "huiles végétales" ; on désigne alors ces carburants par le sigle EMC (esters méthyliques de colza).

Une autre source prometteuse d’huile conduisant par transestérification à un carburant de type gazole est Jatropha curcas (famille des euphorbiacées), plante qui accepte les climats arides pousse rapidement et dont la graine (noix des barbades) contient entre 25 et 40% d’huile. On peut ainsi obtenir deux tonnes de biodiesel par hectare et par an. Cette huile est impropre à la consommation car elle peut contenir à l’état de traces de la curcine ou curcasine, toxine proche de la ricine que la plante secrète en cas de stress hydrique.

4) La filière bois :
D'autres possibilités existent pour produire du bioéthanol avec moins d'impact sur l'environnement. C'est par exemple la filière bois qui permet la transformation de la cellulose de la biomasse (herbe, bois écorce, tige, feuille...). Par hydrolyse enzymatique acide, la cellulose est transformée en glucose qui donne de l'éthanol par fermentation.

5) La filière micro-algues :

Des recherches sont menées au niveau des micro-algues pour développer des filières de production de biomasse et de biocarburant.

Les micro-algues sont des organismes photosynthétiques unicellulaires intéressants car en capturant le dioxyde de carbone et grâce à la lumière elles croissent rapidement et produisent des métabolites intéressants tels que polysaccharides, pigments et lipides.

Leurs atouts par rapport aux plantes supérieures est d'avoir un rendement supérieur (en métabolites transformables en biocarburant), de ne pas être en compétition avec la production alimentaire ; de plus elles sont très diverses et s'adaptent facilement à plusieurs milieux.

Leurs constituants polysaccharidiques permettraient la production de bioéthanol ou de biogaz et leurs constituants lipidiques les bio-fuels ou biodiesels. On a calculé que la production de carburants à partir de micro-algues pourrait représenter 20000 à 60000 litres d'huile par hectare, par an, contre 6000 litres d'huile de palme, un des meilleurs rendements terrestres.

On donne parfois à ces carburants le nom d'algo-carburants.

6) Repérage des carburants dans les stations service

· Les essences :

Suite à l'abandon du plomb tétraéthyle, les essences ont été désignées par SP (sans plomb).

SP98 et SP95, 98 et 95 correspondent aux indices d'octane.

Mais on incorpore aujourd'hui du bioéthanol aux essences.

Depuis le 12 octobre 2018, un nouvel étiquetage pour les carburants est utilisé dans les stations-service européennes.

- On trouve les SP95 et SP98 respectivement sous les appellations SP95- E5 et SP98-E5, la mention E5 signifiant que l'essence contient jusqu'à 5% de bioéthanol mélangé à du sans-plomb 95 ou 98.

- L'essence E10 ou SP95-E10, est du sans-plomb 95 enrichi avec 10% de bioéthanol. Ce carburant est destiné à remplacer progressivement le SP95-E5 pour devenir le standard européen.

- L'essence E85, également appelée superéthanol-E85, se compose de sans plomb 95 avec 65 à 85% de bioéthanol.

· Le gas-oil :

Le gas-oil contient désormais des biocomposants :

- Le diesel standard est désigné par B7 cela veut dire qu'il contient entre 0 et 0,07 litre de biocomposant par litre.

- De nouvelles normes européennes autorisent aussi d'autres carburants dans les moteurs diesel : diesel B10, B20, B30 (respectivement 0,10 0,20 0,30 litre de biocomposant par litre).

Les biocomposants utilisés sont déterminés par les directives européennes. Ils sont d'origines diverses comme par exemple les huiles extraites de graines ou de noix qui ont subi une transformation chimique appelée transestérification (voir annexe 3). Mais cela peut-être aussi des huiles de friture usagées (UCO pour used cooking oil) ou des graisses animales, non adaptées à un usage animal ou humain (Tallow oil).

Le tableau suivant permet de résumer ce que nous venons de dire concernant les étiquetages des carburants que l'on trouve dans les stations service :

Annexe 1

Le plomb tétraéthyle

Le plomb tétraéthyle est obtenu par réaction du chlorure d'éthyle et de plomb sous forme d'un alliage de sodium et de plomb :

Annexe 2

MTBE et ETBE

- Le MTBE ou méthyl ter-butyl éther de formule

est un liquide incolore, volatil (Ebullition à 55°C) et inflammable, soluble dans l'eau (40g/L à 20°C), à odeur caractéristique (semblable à celle des terpènes) et qui peut s'obtenir par action du méthanol sur l'isobutylène, réaction catalysée par des acides :

Additionné aux essences il augmente leur indice d'octane et les aident à brûler plus complètement par l'oxygène qu'il apporte à ces combustibles.

Le MTBE résultant de deux dérivés issus des pétroles (le méthanol dérive du méthane constituant le gaz naturel et l'isobutylène est issu d'une coupe du vapocraquage directement ou par isomérisation du butane contenu dans cette coupe) est donc issu des combustibles fossiles.

Il a été utilisé pour la première fois dans les années 1970 aux USA.

Sa solubilité dans l'eau et sa faible biodégradabilité en font un polluant des nappes aquifères.

Ce composé est aussi utilisé en synthèse organique et présente un avantage sur la plupart des autres éthers, il a moins tendance tendance à former des peroxydes organiques explosifs.

Il a également des utilisations médicales (élimination des calculs biliaires) et pharmaceutiques.

- L'ETBE ou éthyl ter-butyl éther

Le caractère polluant des nappes aquifères du MTBE a fait qu'on a cherché un composé voisin présentant moins d'inconvénients, l'ETBE, de formule

C'est un liquide incolore, volatil (Ebullition à 72,6°C) mais moins que le MTBE et inflammable, moins soluble dans l'eau (10g/L à 20°C)que le MTBE et qui peut s'obtenir par action de l'éthanol sur l'isobutylène, réaction catalysée par des acides

Les gouvernements européens le préconisent à partir des années 1990 en remplacement du MTBE.

C'est également un polluant des nappes aquifères mais à un degré moindre que le MTBE.

Annexe 3
Transestérification (ou alcoolyse)

Il s'agit de la réaction d'un ester sur un alcool pour donner un autre ester

C'est une réaction réversible, catalysée par un acide ou une base. Pour rendre la réaction complète, on met un gros excès de l'alcool R₂-OH qui sert souvent de solvant.

Appliquée à des huiles végétales qui sont des triesters d'acides gras et de glycérol, elle conduit à du glycérol et des esters méthyliques (Esters méthyliques d'huiles végétales EMHV) ou éthyliques (Esters éthyliques d'huiles végétales EEHV) des acides gras qui entrent dans la composition de ces huiles :

Ce mélange d'esters méthyliques (ou éthyliques si l'alcool qui entre en jeu est l'éthanol) constitue un carburant qui peut être utilisé seul (il porte alors le nom de biodiesel ou biogazole et est désigné par B100) ou mélangé avec du gazole, et suivant le pourcentage de ce biocarburant dans le mélange on désignera celui-ci par B30, B20, B10, B7 (le nombre qui suit la lettre B correspond à ce pourcentage).

Annexe 4

Composition de quelques huiles comestibles : (exprimée en % d'acides gras)

	Acides gras saturés dont palmitique et stéarique	Acides gras mono-insaturés dont oléique et gadoléique	Série linoléique	Série linolénique
Tournesol	12	23	65	-
Maïs	13	30	57	-
Soja	15	25	53	7
Colza	8	62	21	9
Arachide	20	50	30	-
Olive	15	73	12	-
Noix	10	18	60	12

Lorsque l'on traite 100kg de graines de colza on obtient par pression : 41L d'huile brute et 62kg de tourteau, environ.
Il faut 5 à 6 kg d'olives pour obtenir 1L d'huile.