Abstract :
[fr] Cette thèse s’inscrit dans la démarche du développement durable avec la mise en évidence du pilier environnemental dans la prise de décision ou encore dans le choix de technologies. La méthode de l’Analyse du Cycle de Vie, de plus en plus incontournable, est au cœur de ce travail. Elle a été appliquée au domaine des cultures énergétiques. En effet, au vu de la diminution des ressources fossiles et de l’augmentation des émissions de gaz à effet de serre, des mesures ont été prises par les dirigeants politiques pour tenter de trouver des solutions à ces problèmes. Une d’entre elles est l’exploitation des ressources renouvelables dont les cultures énergétiques font partie. Ces dernières ont principalement été utilisées pour la production de biocarburants grâce à la transformation de matières premières agricoles en bioéthanol ou biodiesel, ensuite incorporés dans l’essence ou le diesel fossile, respectivement. Ce travail ne considère que le bioéthanol, qui au-delà de son utilisation traditionnelle en tant que biocarburant, peut servir de matière première pour la production d’éthylène, monomère essentiel de l’industrie plastique.
Le but de cette thèse consiste à évaluer l’impact environnemental associé à la production de bioéthanol produit à partir de canne à sucre, de betterave et de froment, et de deux de ses utilisations : biocarburant et bioplastique. L’Analyse du Cycle de Vie est utilisée pour déterminer les impacts environnementaux de chacun des scénarios envisagés afin de mettre en évidence la meilleure utilisation du bioéthanol produit, associée à une gestion optimale des sols, ressource également limitée.
Le Chapitre I décrit le contexte général dans lequel se situe le travail, c’est-à-dire les préoccupations actuelles en relation avec l’épuisement de ressources fossiles, le changement climatique et la recherche de solutions durables. Le contexte énergétique mondial et européen y est présenté ainsi que la place des biocarburants de première génération sur le marché de l’énergie. La place du bioéthanol parmi les biocarburants est analysée ainsi que les matières premières utilisées à grande échelle. Ensuite, la compétition des terres se déroulant entre les domaines alimentaires et les applications énergétiques est envisagée. Ce chapitre met en évidence les limitations de l’utilisation des matières agricoles pour les biocarburants et montre également le potentiel du bioéthanol en tant que substitut au pétrole pour l’industrie plastique. Un inventaire des études et des principales caractéristiques relatives aux analyses du cycle de vie présentes dans la littérature est compilé. Il permet de mettre en évidence ce qui a déjà été étudié en ce qui concerne les matières premières ainsi que les deux utilisations envisagées pour le bioéthanol. Il pose ensuite les objectifs majeurs de ce travail et présente la structuration de ce dernier.
Le Chapitre II présente la méthode de l’Analyse du Cycle de Vie qui est appliquée tout au long de ce travail. Les différentes étapes essentielles à son aboutissement ainsi que ses avantages et inconvénients y sont présentés. Les méthodes d’impact utilisées au cours de ce travail sont également explicitées et détaillées. La suite de ce chapitre s’applique à effectuer la revue de l’état de l’art quant à l’utilisation d’une catégorie permettant de prendre en compte l’utilisation et le changement d’affectation des sols. Cette catégorie peut être considérée comme essentielle dans le cas de cultures énergétiques. Ce paragraphe montre les divergences et les difficultés inhérentes à l’utilisation de cette catégorie. Il explicite ensuite la méthodologie développée par l’Union Européenne pour la prise en compte du changement d’affectation des sols entraînant des impacts pour la catégorie du changement climatique.
Le Chapitre III regroupe les informations nécessaires à la modélisation de la culture de canne à sucre au Brésil, son transport entre le champ et l’unité industrielle ainsi que sa transformation en bioéthanol à partir du jus sucré. Un état de l’art de la littérature a été réalisé afin de déterminer une moyenne d’inventaire à utiliser. L’impact environnemental de la culture d’un hectare de canne à sucre est alors présenté suivi par la mise en évidence du changement d’affectation des sols sur les résultats. Ensuite, l’impact environnemental du transport de la canne à sucre jusqu’au lieu de transformation a été évalué. Finalement, l’évaluation environnementale de la production de bioéthanol à partir de jus a été réalisée avec la mise en évidence des étapes prépondérantes dans l’impact environnemental. Un autre résultat à noter est le gain important provenant de l’utilisation de la bagasse à la place des combustibles fossiles dans les chaudières. Différentes analyses de sensibilité ont été réalisées telles que la variation du rendement et le type d’allocation envisagée pour les coproduits du bioéthanol. Cela a permis de mettre en évidence l’importance du rendement de production, de la quantité d’intrants et des pratiques agricoles sur les résultats. Cela montre le besoin de transparence quant à l’inventaire permettant de modéliser l’étape de culture.
Le Chapitre IV est consacré à une matière première plus régionale : la betterave sucrière. La collecte des informations nécessaires à la modélisation de sa culture, sur le sol belge mais également en Ukraine est réalisée. La modélisation de ces deux scénarios a permis de mettre en évidence l’importance des pratiques agricoles et du rendement associé dans les impacts environnementaux obtenus. Le changement direct d’affectation des sols a également été pris en compte en ce qui concerne les cultures ukrainiennes, les terres belges n’étant pas suffisamment disponibles pour subir une expansion de cultures. Néanmoins, un changement indirect d’affectation des sols a été pris en compte pour la Belgique qui ne pourra faire face seule à une augmentation de la demande et devra recourir à l’importation. L’étape de transport de la betterave entre le champ et le lieu de transformation a été étudiée et son impact a été évalué. La production de bioéthanol à partir de jus ou lors d’une production combinée avec le sucre a été analysée d’un point de vue environnemental amenant à des résultats similaires avec l’utilisation d’une allocation énergétique. Des analyses de sensibilité ont également été réalisées à ce stade mettant en évidence l’importance du rendement de culture et des quantités d’intrants, ce qui a déjà été révélé lors de l’analyse des impacts de la culture de la canne à sucre.
Le Chapitre V réalise l’état de l’art de la culture de froment sur le sol belge mais également en Ukraine. La culture d’un hectare de froment a été traitée afin de mettre en évidence les étapes importantes ainsi que les points d’amélioration de l’impact environnemental. Le changement direct d’affectation des sols est en tout point identique à celui pris en compte pour la betterave sucrière, les sols étant supposés identiques. Le changement indirect d’affectation des sols dû à une demande importante de froment en Belgique a également été modélisé pour mettre en évidence les conséquences d’une augmentation de la consommation en froment pour la production de bioéthanol. Le transport du froment a été étudié de deux manières. Tout d’abord, un transport local a été supposé pour la Belgique. Ensuite, le transport de la matière première depuis l’Ukraine jusqu’en Belgique, supposée être le lieu de transformation, a également été modélisée. Pour la production de bioéthanol, les deux technologies de production ont été envisagées. La modélisation de la technologie « Wet Milling » a été réalisée sur base de données industrielles alors que le « Dry Milling » a été modélisé sur base de données de la littérature. Cela a permis de comparer les deux technologies. La différence majeure est l’utilisation d’une partie du froment comme combustible pour permettre une diminution de la consommation énergétique lors de l’utilisation de la technologie « Wet Milling », ce qui lui donne un avantage certain. Tout comme pour les chapitres précédents, des analyses de sensibilité ont été réalisées, mettant en évidence l’importance des quantités d’intrants pour l’étape de culture, du rendement mais également des allocations utilisées pour les coproduits.
Le Chapitre VI présente les deux utilisations du bioéthanol étudiées et comparées dans ce travail à savoir la filière « biocarburant (E5 et E85) » ou « bioplastique ». La première partie du chapitre est consacrée aux biocarburants qui sont implémentés à hauteur de 5% ou de 85% en volume dans l’essence. Une partie théorique présente les conséquences relatives à cette implémentation ainsi que l’étape supplémentaire de déshydratation de l’éthanol obtenu précédemment en éthanol anhydre. La modélisation est ensuite réalisée et six scénarios sont obtenus sur base des trois matières premières décrites dans les chapitres précédents et ce, pour les deux types de mélange. Ces scénarios, en plus de mettre en relief les différences entre matières premières, montrent également l’impact des hypothèses de lieu de production ainsi que de transport. Les étapes prépondérantes des scénarios agricoles sont mises en évidence pour chaque catégorie d’impact ainsi que leur comparaison avec la filière classique. À la suite de cette étude sur les biocarburants, l’application bioproduit est envisagée avec la déshydratation catalytique du bioéthanol en bioéthylène suivie de sa polymérisation en Polyéthylène Haute Densité (HDPE). Neuf scénarios sont alors envisagés, également basés sur la canne à sucre, la betterave et le froment mais variant les possibilités de transport et l’origine des matières premières. Les étapes prépondérantes à chaque scénario ont été mises en évidence et la comparaison avec les polymères fossiles a été réalisée. À la suite de ces comparaisons, des scénarios ont dû être écartés, consommant plus de ressources fossiles et émettant plus de gaz à effet de serre que les filières fossiles. Ce chapitre présente aussi la comparaison des deux utilisations en se basant sur un hectare de terre disponible et le gain obtenu par rapport à la filière fossile. Cela permet de mettre en évidence, sur nos terres limitées, l’application à favoriser d’un point de vue environnemental. Des analyses de sensibilité mettant en évidence les impacts du changement de méthode d’évaluation d’impact, les impacts relatifs aux économies d’échelle ou encore aux perspectives d’avenir ont permis d’évaluer les limites de validité de nos résultats. Des analyses d’incertitude basées sur la méthode de Monte Carlo ont également été réalisées afin de montrer la robustesse des résultats obtenus, pratique qui n’est pas courante dans le domaine de l’Analyse du Cycle de Vie.
Le travail se termine par une conclusion rassemblant l’ensemble des résultats et proposant des perspectives d’avenir dans le domaine de l’Analyse du Cycle de Vie appliqué à des procédés basés sur des matières premières agricoles.
