Les SAF, entre rêve et réalité - 2
La décarbonation du transport aérien bat son plein. Tous les acteurs redoublent d’efforts en vue d’atteindre le difficile challenge du Net Zéro CO2 en 2050.
Les lois européennes RefuelEU, RedII… sont de plus en plus pressantes, pour ne pas dire menaçantes à l’égard des acteurs qui n’atteindraient pas l’objectif.
Compte tenu de la complexité du problème, IDAERO a décidé d’analyser les chemins possibles vers cet objectif en trois lettres successives.
La première lettre, déjà parue, a fait le point sur la masse de SAF à produire pour atteindre l’objectif.
Dans la présente lettre, nous analysons la solution Bio-SAF.
La troisième lettre sera consacrée aux E-SAF et à notre conclusion.
Notre but étant de répondre à la question : Les SAF pourront-ils en quantité, en prix et dans les délais prévus atteindre ce difficile challenge ?
Sont-ils du monde du rêve ou de la réalité ?
LETTRE 2
Cette seconde partie de l’étude est consacrée à l’offre de carburants durables extraits de la biomasse. Elle se décompose ainsi :
- Pourquoi le choix des SAF ?
- Les filières de fabrication
- Coup d’œil sur la production mondiale de SAF
- Comparaison des différents procédés de fabrication
- Quantité de biomasse disponible pour les bio-SAF
Que disent les scientifiques ?
Étonnant tout de même de manquer d’ordures
La ressource forestière
Les déchets municipaux
POURQUOI DES SAF ?
Sans entrer trop dans les détails techniques, il nous paraît indispensable de préciser quelques points concernant la chimie des carburants.
Le kérosène, « nourriture » actuelle de nos réacteurs, est un mélange d’hydrocarbures de la famille des alcanes allant de C10H22 à C14H30.
En brûlant dans la chambre de combustion, il émet du CO2, de l’eau et l’énergie recherchée.
2C10H22 + 31O2 ⇒ 20 CO2 + 22 H2O + Énergie (1 kg de kérosène ⇒ 3 kg de CO2)
Les SAF, en se substituant au kérosène, n’ajouteront pas de CO2 en brûlant, car ils sont fabriqués en prélevant le carbone existant dans l’environnement. Lorsqu’il brûle, le SAF ne rejette que le CO2 qu’il a prélevé. Le bilan de la combustion est bien : zéro émission. Ceci en faisant abstraction du rendement de fabrication et du transport des SAF depuis leur lieu de fabrication à leur lieu d’utilisation.
Est-ce gagné ? À voir…
COMMENT FABRIQUER DES SAF ?
Deux grandes méthodes :
Méthode 1. En utilisant la biomasse que l’on trouve dans l’environnement ; elle contient du carbone et de l’hydrogène. En combinant C et H on peut obtenir un carburant CnH2n
La biomasse… c’est quoi au juste ?
On trouve sa définition à l’article 9 de la loi no 2009-967 de programmation relative à la mise en œuvre du Grenelle de l’Environnement. « La biomasse est définie comme la fraction biodégradable des produits, déchets, résidus provenant de l’agriculture, y compris les substances végétales et animales, issues de la terre et de mer, de la sylviculture et des industries connexes ainsi que la fraction biodégradable des déchets industriels et ménagers »
Méthode 2. En captant le carbone venant du CO2 de l’environnement (air ou produits carbonés) et en récupérant l’hydrogène par électrolyse de l’eau avec de l’électricité verte.
Méthode 1. Pour les SAF issus de la biomasse détentrice du carbone et de l’hydrogène, il faut bien distinguer :
- Les SAF qui se trouvent en compétition avec l’alimentation. Ce sont les plus faciles à produire. Ils sont faciles à collecter dans les zones d’abondance. Mais ne trouvent pas grâce en Europe. Cette dernière a programmé leur interdiction à l’horizon 2030. Ils resteront produits librement dans certains pays où une biomasse est jugée surabondante (maïs aux États-Unis, canne à sucre au Brésil, huile de palme en Indonésie…)
- Les SAF sans utilité pour la chaîne alimentaire. Ils sont plus ou moins faciles à produire suivant la nature de la biomasse. Leur collectage en revanche, est souvent difficile et onéreux (il faut penser aux dépenses de fuel pour les récupérer). Ce sont les huiles usagées, les graisses, les résidus agricoles et forestiers.
Méthode 2. La méthode est séduisante, car elle compense l’émission de CO2 pratiquement à 100%. Cette méthode est idéale pour les cimenteries et les usines d’élaboration de matériaux qui rejettent et stockent de grandes quantités de CO2. En revanche le CO2 capté dans l’air, demande beaucoup d’énergie. Quant à l’hydrogène à récupérer par électrolyse, il réclame de l’électricité verte en quantité. Beaucoup d’électricité et cette exigence risque fort d’être impossible à satisfaire à l’heure où on demande d’éteindre les lumières.
LES FILIÈRES DE FABRICATION
Les filières de fabrication dépendent de la variété des intrants et surtout de leur qualité. Fabriquer un carburant avion à partir d’une huile est plus simple que de partir d’un résidu sylvestre demandant plusieurs étapes laborieuses et onéreuses.
Sur le plan théorique, c’est assez simple : tous les procédés reviennent à capter du Carbone C et de l’hydrogène H pour reconstituer un alcane (hydrocarbure ou carburant) CnH2n
Sur le plan pratique, industriel, c’est beaucoup moins simple. On va le découvrir avec l’examen de différentes filières utilisées.
Actuellement quatre grands procédés de fabrication de SAF fonctionnent. Il en existe beaucoup d’autres, mais… sur le papier.
Procédé HEFA
C’est un procédé de transformation des huiles végétales, contenant le carbone par ajout d’hydrogène (HEFA : Hydroproceed Ester and Fatty Acids).
À la simple lecture du nom, on devine que l’opération n’est pas simple. En regardant la photo, ci-dessous, de la plus grande usine HEFA de fabrication de SAF au monde, située à Rotterdam, on mesure la complexité des opérations.
Ce qui est simple c’est qu’il entre dans cette raffinerie de l’huile de cuisson et qu’il en sort du SAF, un kérosène pur. Un « drop in » directement utilisable dans les réacteurs. Un kérosène si « pur » que, dans l’immédiat, on doit le mélanger avec du Kérosène ordinaire. Les réacteurs, les avions, leurs réservoirs, tuyauteries et pompes actuels sont « habitués » aux aromatiques contenus dans les kérosènes actuels. Ils devront adapter leurs tubes digestifs à la pureté des SAF.
- Entre l’entrée et la sortie, de cette usine à gaz, il se produit de nombreuses opérations :
- Faire chauffer les graisses pour les faire fondre
- Les purifier
- Remplacer l’oxygène du mélange par de l’hydrogène dans une tour de 40 m de haut
- Les « isomériser » le tout afin que la chaîne de molécules ressemble à celle du kérosène.
- …
Coup d’œil sur la production mondiale actuelle de SAF
Même la production mondiale de SAF par le procédé HEFA ne s’élève guère qu’à 0,25 Mt, moins de 0.1% de la consommation mondiale de kérosène.
Précisons bien que tous les autres procédés producteurs de SAF, ajoutés au procédé HEFA, ne fournissent actuellement que 1,5 Mt. Soit 0,6 % de la production qu’elle est censée remplacer à 100 % en 2050…
Certes, il reste encore du temps pour booster ces productions. Voir à la fin de cette lettre l’optimisme affiché par les États-Unis à ce sujet. Mais, en Europe et en France, tous les signaux sont loin d’être au vert pour y parvenir.
- Ainsi SHELL vient d’annoncer qu’il interrompt la construction d’une usine géante aux Pays-Bas devant produire 820 000 t de biodiesel et de SAF en invoquant la faiblesse de la compétitivité du site et la demande qui ne décolle pas !
- Ainsi BP suspend deux projets d’usine de biocarburants en Allemagne et aux États-Unis.
Les groupes s’estiment face à un dumping insoutenable des Chinois qui vendent à l’étranger la quasi-totalité de leur production à prix cassé et au diable le CO2 chez eux. - Seul TOTAL maintient son investissement prévu avec la transformation de la raffinerie de Grandpuits (Seine-et-Marne) qui devrait produire 210 000 t de kérosène vert en 2025 avec l’objectif de 285 000 t en 2027. La France effectuerait enfin son décollage de production de SAF. Il existe, sur le papier, de nombreux autres projets. Leur durée de vie se limitera à la durée des budgets d’étude qu’ils auront réussi à obtenir.
- Un autre vent contraire freine les productions européennes et françaises : les coûts.
Ben Smith PDG d’Air France interviewé sur la question des SAF déclarait le 5/10/2023 : « l’année dernière nous avons acheté 17 % de la production mondiale de SAF alors que nous ne représentons que 3 % de la consommation mondiale de kérosène. …nous avons besoin d’une filière et d’un cadre fiscal adapté. Une tonne de kérosène coûte aujourd’hui 1 000 €. Le même volume de SAF coûte 5 000 € en France, alors qu’il est vendu 2 500 € outre-Atlantique. »
Les compagnies aériennes adhèrent au SAF que très mollement. Et pour cause, les SAF ne sont disponibles qu’au compte-gouttes et sont hors de prix. Déjà sonnées par l’épisode COVID, ce nouvel épisode SAF est de trop pour les compagnies aériennes.
Le graphique ci-dessous l’illustre parfaitement. Les grandes compagnies américaines sont les grandes absentes de la décarbonation.
L’engagement des sociétés fabriquant des SAF n’est pas spécialement facilité par le nombre d’organismes internationaux et nationaux auxquels ils doivent montrer patte blanche.
ASTM : Organisme de normalisation (American society for testing material).
CORSIA : Carbon Offsetting and Reduction Scheme for international Aviation.
ReFuelEU : Proposition législative européenne pour une aviation durable.
REDII : Directive énergies renouvelables
SNBC : Stratégie nationale Bas Carbone
COMPARAISON DES DIFFÉRENTS PROCÉDÉS DE FABRICATION DE SAF
Nous venons d’examiner le procédé HEFA (traitement des huiles). C’est le plus important. Quand on annonce qu’un vol se fait avec 50 % de SAF, il y a toute chance pour que ce dernier provienne de chez Neste Rotterdam du procédé HEFA.
Bien d’autres procédés sont utilisés ou sont en voie de développement. Tous doivent répondre à des réglementations de plus en plus exigeantes.
En particulier l’industrie des SAF et des biocarburants est de plus en plus soumise à l’interdiction d’utiliser des intrants pouvant servir à l’alimentation humaine.
Avec cette complication supplémentaire : cette réglementation serait surtout appliquée en Europe, voire en France principalement et non sur toute la planète. Bonjour la distorsion de concurrence !
Dans la course aux SAF, l’Europe et en premier lieu la France font penser à ce coureur avec un boulet au pied.
La directive européenne du 23 avril 2009 destinée à assurer la durabilité des biocarburants exigeait la vérification de :
- Une réduction des émissions de GES d’au moins 35 % à partir du 01/01/2010, de 50 % en 2017, de 60% en 2018, par rapport à celles produites par la fabrication et la combustion du kérosène.
- La préservation de la biodiversité (zones protégées, respect des écosystèmes…
- Protection de l’air, de l’eau et du sol
- Respect de l’environnement et de la législation sociale
- Seuls des organes indépendants pourront attester du respect de la directive
Depuis cette date l’Europe s’est penchée et repenchée sur les biocarburants (ReFuel EU, Tiruert) ajoutant des difficultés aux difficultés techniques déjà lourdes comme on peut le voir ci-après.
Le tableau ci-dessous retrace la complexité des filières.
Procédés fabrication de SAF | Intrants 1re génération | Intrants 2e génération | Intrants 3e génération | Avenir ? |
| HEFA Hydroproceed Ester and Fatty Acids | Cultures : Maïs, blé | Huiles usées Graisses animales | Algues | |
| FT Fischer-Tropsch | Déchets, Résidus Agricoles Forestiers | |||
| ATJ Alcohol to Jet | Sucres | Résidus agricoles | ||
| e-SAF électrique | CO2 capté dans l’air ou effluents H2 obtenu par électrolyse |
Nos commentaires sur ce tableau :
FT : Inventé en 1923, le procédé Fischer-Tropsch est un vétéran parmi tous les procédés. Il consiste à faire réagir deux gaz (CO et H2) en présence d’un catalyseur (fer), sous haute température et en présence d’eau. Il tire sa renommée, de la Seconde Guerre mondiale, quand les Allemands réussirent à assurer l’énorme besoin en carburant de leurs panzers pour déferler sur l’Europe. Leur charbon était utilisé à la production de l’essence de synthèse.
En 1944, 90 % des avions de la Luftwaffe volaient avec ce carburant de synthèse.
En 2024, avec nos réglementations, nos budgets réduits…, malgré nos techniques nouvelles on a tout juste de quoi avitailler quelques avions en SAF, pour la démonstration et la publicité.
Certains de nos lecteurs ont peut-être remarqué dans leur région, des méthaniseurs (il y a environ 2 000 de ces unités en France et leur nombre croît très vite). Les exploitants locaux apportent leurs résidus agricoles en échange d’engrais ou de carburants. Mais cette économie circulaire reste du domaine local, sans commune mesure avec les besoins du trafic aérien.
ATJ : le procédé Alcohol to Jet consiste à partir de plantes sucrières. D’en extraire le sucre, de le transformer en alcool, de retirer l’eau pour enfin obtenir le Jet fuel recherché. Comme le montre le tableau ci-dessus, ce procédé devra bientôt abandonner les plantes sucrières en concurrence avec l’alimentation humaine (Réglementation européenne) et se rabattre sur les résidus agricoles. Ce qui réduira fortement la masse de biomasse autorisée et surtout va renchérir la fabrication des bioSAF de deuxième génération. Ces restrictions réglementaires, initiées en Europe et en particulier en France, mettent en péril la fabrication française de ces SAF.
En témoigne la récente audition, au Sénat, de Patrick POUYANNÉ, PDG de TotalEnergies, qui étrille les biocarburants de deuxième et troisième génération et va produire ses fuels synthétiques aux États-Unis.
https://www.usinenouvelle.com/article/reperes-neuf-carburants-aeriens-durables-deja-normalises.N2125471
Au-delà des défis techniques et réglementaires que nous venons d’évoquer, les SAF auraient d’autres défis à surmonter pour remplacer le kérosène à l’horizon 2050 :
- La quantité de biomasse consacrée aux SAF.
- Le coût final de commercialisation des SAF ainsi produits qui coûteront plus de 2 à 3 fois plus cher que le Kérosène, même à maturité des procédés de fabrication.
- S’ajoute à cela un grand doute, non encore levé, sur le gain réel de réduction de Gaz à Effet de Serre obtenu avec la production de biocarburants. La réflexion se poursuit autour de deux questions :
1/ L’analyse dite du cycle de vie (ACV) prenant en compte l’énergie nécessaire à la fabrication du biocarburant et son transport. En effet le tracteur qui traite la culture et le camion qui achemine le produit sont des émetteurs de CO2.
2/ Une autre question, encore plus complexe, porte les changements d’affectation des sols (CAS) passant de cultures destinées à alimenter les humains et les animaux à celles destinées à « alimenter » les avions… Pour ajouter à la complexité, on distingue les sols défrichés pour recevoir les cultures déplacées. Allez savoir si on gagne en CO2 ou si par hasard on n’en rajouterait pas…
Quantité de biomasse disponible pour les SAF dans l'avenir ?
À notre avis, personne n’est en mesure de répondre exactement à cette question. Ce qui est sûr c’est qu’il n’y en aura pas pour tout le monde.
Actuellement, la demande globale (industrie, voitures, avions…) dépasse très largement la production disponible. De surcroît la part accordée aux avions (SAF) est quasi insignifiante.
Curieusement, les avions très souvent accusés d’émissions de CO2 deviennent non prioritaires lors du partage des carburants décarbonés. On sait leur rappeler qu’en vérité ils sont pour peu de chose dans l’émission totale de CO2…
Quant à l’avenir de la masse de SAF, il repose sur beaucoup d’incertitudes : nombre d’usines de production, capacité de ces usines, collecte de la biomasse et une politique sur long terme amenant les industriels à engager des sommes colossales au côté de celle engagées par les pouvoirs publics… et à la suite de tout cela la garantie de la part réservée à l’aéronautique.
Quelques données chiffrées illustrent les propos précédents :
En 2018, cinq milliards de litres de biodiesel ont été produits dans le monde.
Sur cette production, seuls huit millions de litres ont été commercialisés en SAF (0.16 %).
La quasi-totalité de la production est allée au secteur automobile.
L’IAE (Agence Internationale de l’Énergie) estime que la production de bioénergie doublera entre aujourd’hui et 2050 pour atteindre environ 2 100 Mtep/an dans le monde. Cette bioénergie doit être encore transformée en biocarburant avec un rendement de 50 %. Ce biocarburant doit enfin être réparti entre les secteurs utilisateurs (automobiles … avions). Au taux de répartition actuelle (<1%) accordé au secteur aérien, nous sommes bien loin des besoins. Soit 2100x50%x1% =11 Mtep produites à mettre en regard du besoin attendu de la biomasse : 120 Mtep. Il faudrait donc un arbitrage beaucoup… beaucoup plus favorable en faveur de l’aérien (multiplié par 10 ?) : ce n’est pas gagné…
Que disent les scientifiques ?
C’est en termes galants que l’Académie des technologies (*) ou l’étude diligentée par la Commission européenne (**) ou encore l’étude de l’Imperial College (***) et même l’analyse de France Stratégie (****) disent ce que nous traduisons en langage courant : la biomasse ne pourra pas fournir la bioénergie totale escomptée en 2050 et sur cette bioénergie la part SAF, réservée au secteur aéronautique, sera loin de l’objectif qui lui était assigné de 120 Mt de kérosène à remplacer en 2050.
(*) Rapport-decarbonation-secteur-aerien-production-carburants-durables-AT-Mars-2023.pdf (academie-technologies.fr)
(**) https://materialeconomics.com/material-economics-eu-biomass-use-in-a-net-zero-economy-online-version.pdf?cms_fileid=55bb9c799d736d81fdfb372fa5f59013
(***) https://www.concawe.eu/wp-content/uploads/Sustainable-Biomass-Availability-
in-the-EU-Part-I-and-II-final-version.pdf
(****)https://www.strategie.gouv.fr/sites/strategie.gouv.fr/files/atoms/files/fs-dt_-_biomasse_agricole_-_quelles_ressources_pour_quel_potentiel_energetique_-_29-07-21.pdf
Étonnant tout de même de manquer d’ordures !
Certains de nos lecteurs peuvent s’étonner d’entendre, en permanence, que l’on croule sous les ordures et que nous en manquons pour fabriquer des biocarburants. C’est pourtant la vérité. En fait entre la biomasse existant sur la planète (huiles, déchets agricoles, résidus sylvestres …) et la masse de biomasse réellement récupérable, il y a le monde de la collecte.
En France, la ressource forestière.
La quantité mobilisable pour la bioénergie est de l’ordre de 6 Mtep/an. En considérant un taux de prélèvement avantageux (inespéré de 10 %) pour l’avion, il serait possible de produire sur cette base 0,3 Mt d’e-bioSAF (e signifiant ajout d’hydrogène pour rendement)
Mais sur les treize régions françaises, seules trois disposent d’une biomasse forestière dont la densité dépasse 25 t/km2.
Dans une région à 25 t/km2, une installation de production de 0,2 Mt d’e-bioSAF nécessiterait 0,75 Mt biomasse sèche, soit un disque de collecte de 100 km de rayon. La collecte reste le grain de sable capable de bloquer la machine.
Les déchets municipaux.
Ils sont une source de biomasse présentant l’avantage d’un circuit de collecte existant et de volumes importants dans des régions très urbanisées.
La production annuelle de déchets municipaux en France est de 530 kg/habitant, dont 150 kg/habitant sont fermentescibles.
Avec 7 millions d’habitants, Paris et sa petite couronne produisent 1 Mt de biomasse, soit 0.4 Mtep de bioénergie. Cela ne représente que 10 % de la consommation électrique des Parisiens.
DES AVIS CONTRAIRES AUX NÔTRES
Aux États-Unis, une société de développement, au nom prometteur de CleanJoule, soutenue par quelques bailleurs de fonds (50 M$), promet de démontrer dans un délai de 18 mois, la viabilité industrielle des Bio-SAF. L’entrepreneur s’appuie sur une étude USDA DOE Billion Ton Study affirme que 1.3 milliard tonnes de biomasse si elle était récoltée produiraient de 70 à 80 milliards de gallons de SAF. (Prometteur car cela représente 80% du besoin mondial…)
Il est vrai que d’immenses étendues de l’Ouest américain sont recouvertes d’une végétation naturelle comme le jatropha dont on peut tirer des SAF. En regardant la photo ci-dessus, on comprend que la récolte industrielle relève du rêve.
Il n’en reste pas moins que 90% des investissements actuels mondiaux dans la production de SAF sont réalisés aux Etats Unis. Ces derniers veulent passer des 15.8 millions de gallons actuels à 3 milliards de gallons en 2030. Ce bond gigantesque équivaudrait à une multiplication par 190 en cinq ans soit un triplement par an. Malgré ce bond titanesque promis, la production de SAF ne représentera que quelques pourcent de la consommation
Notons aussi qu’aux États-Unis le gallon de Jet-A1 est vendu 2.85$ et le gallon de SAF, 6.69$. Même à faible dose dans les réservoirs, les compagnies aériennes américaines boudent les SAF. Elles sont comme les autres, peu pressées de remplir leurs réservoirs à 100% de SAF compte tenu de leur prix.
L’Europe ne produit à peu près rien comme SAF, mais a des exigences. En effet le Parlement européen dans sa recommandation ReFuel EU veut que la proportion de SAF disponible dans les aéroports en % du besoin total soit : 2% en 2025 ; 6 % en 2030 ; 20 % en 2035 ; 70 % en 2050.
Des valeurs en évolution et dont le non-respect serait sanctionné par une taxe (Tiruert).
Taxer pour n’avoir pas utilisé des SAF inexistants : il risque d’y avoir du sport …
Il est probable que l’impossibilité matérielle (faute de production suffisante) obligera les décideurs européens, bon gré mal gré, à revoir leur copie.
Conclusion
La biomasse disponible sur la planète, les difficultés de collectage et les coûts de traitement pour parvenir au SAF cumulent un ensemble de difficultés qui vont ranger les BIO-SAF au rayon des petits contributeurs au Zéro CO2.
Dans la Lettre 3 nous verrons si les e-SAF peuvent mieux relever le défi.