Biodiesel et diesel renouvelable : quelle est la différence ?

Le diesel à base de biomasse joue depuis longtemps un rôle important en conformité avec les mandats américains sur les carburants renouvelables (RFS) (par exemple, farmdoc daily, 19 juillet 2017). Les deux principaux types de carburants diesel à base de biomasse utilisés pour se conformer aux mandats RFS sont le « biodiesel » et le « diesel renouvelable ». Historiquement, la production de biodiesel a largement dépassé la production de diesel renouvelable. Cela a commencé à changer ces dernières années en raison d'un boom de la construction de capacités de production de diesel renouvelable. Le boom a été suffisamment important pour avoir un impact substantiel sur le prix des graisses et des huiles utilisées pour produire du diesel à base de biomasse. Cet article est le premier d'une série qui examinera le boom du diesel renouvelable et son impact sur l'agriculture américaine.

Nous commençons la série aujourd'hui par une discussion sur les différences entre le biodiesel et les carburants diesel renouvelables. Actuellement, les carburants diesel à base de biomasse sont produits à partir de matières premières lipidiques organiques contenant des acides gras libres, tels que des huiles végétales, des graisses animales ou de la graisse recyclée (AFDC, 2022a,b). Alors que le biodiesel et le diesel renouvelable sont tous deux classés dans la catégorie des carburants diesel à base de biomasse et peuvent être produits à partir de la même matière première, ce sont des types de carburants distincts qui diffèrent par plusieurs caractéristiques importantes.

Le biodiesel, souvent appelé biodiesel FAME ou simplement FAME, est produit par un procédé connu sous le nom de transestérification (FAME signifie Fatty Acid Methyl Ester). La transestérification convertit les graisses et huiles organiques en esters alkyliques d'acides gras en les faisant réagir avec des alcools et des catalyseurs (AFDC, 2022a). Le méthanol sert généralement de réactif et crée des esters méthyliques d'acides gras. Au cours du processus de transestérification, 100 livres d'huile ou de graisse végétale sont généralement mises à réagir avec 10 livres de méthanol pour produire environ 100 livres de biodiesel et 10 livres de glycérol. De manière équivalente, environ 7,5 livres de matière première sont nécessaires pour produire un gallon de biodiesel et 0,9 livre de glycérine (farmdoc daily, 15 février 2022). Plusieurs utilisations existent pour le glycérol brut et raffiné, généralement appelé glycérine, avec une teneur en glycérol d'environ 80 %. Le glycérol peut être utilisé dans les aliments pour animaux ou dans une variété de procédés chimiques.

Un schéma du processus de production de biodiesel FAME est fourni à la figure 1. Le schéma représente ce que l'on appelle un processus de production "continu". Les procédés discontinus sont également utilisés dans les usines de biodiesel plus anciennes et plus petites. Les étapes du processus de production sont similaires pour les deux types de processus, sauf que la phase du réacteur est beaucoup plus longue dans le processus discontinu.

Comme le montre la figure 1, la charge d'alimentation est d'abord prétraitée pour éliminer les impuretés. La matière première traitée est ensuite préchauffée à environ 130 degrés Fahrenheit. Pendant le préchauffage de la matière première, sa qualité est testée pour sa teneur en acides gras libres. En maintenant la température constante, la matière première est ensuite chargée dans le réacteur avec du méthanol et des catalyseurs basiques et, rarement aux États-Unis, des enzymes. Le mélange est ensuite agité jusqu'à ce que la réaction chimique soit terminée, souvent en aussi peu qu'une heure. Une fois la réaction terminée, on laisse le mélange réactionnel décanter pendant plusieurs heures. Pendant ce temps, la glycérine et le biodiesel sont séparés, la glycérine se déposant au fond du réacteur et le biodiesel au sommet en raison de la différence de leur densité. A l'issue du temps de décantation, le glycérol est séparé des esters méthyliques par vidange en fond de réacteur. La glycérine est purifiée en éliminant l'excès de méthanol, puis stockée dans une cuve. Les esters méthyliques sont transférés dans un réservoir différent où ils sont lavés à l'eau plusieurs fois jusqu'à ce que l'eau soit claire. Le lavage élimine tout résidu de catalyseur, savon, sel, méthanol et glycérine restante des esters méthyliques. Après le lavage, les esters méthyliques subissent un processus de séchage intensif jusqu'à ce que l'humidité restante soit complètement éliminée. Enfin, le biodiesel d'esters méthyliques d'acides gras (EMAG) est stocké dans des réservoirs prêts à être consommés.

Le biodiesel FAME pur créé à partir de ce processus est connu dans l'industrie sous le nom de B100. Il est important de souligner que le FAME n'est pas un carburant hydrocarboné comme le diesel pétrolier et, par conséquent, diffère du diesel pétrolier sur plusieurs aspects clés (Brown, 2020). Premièrement, le biodiesel FAME contient de l'oxygène, ce qui fait que le FAME a environ sept pour cent d'énergie en moins en volume. Deuxièmement, la teneur plus élevée en oxygène du FAME peut limiter la durée de stockage en raison de l'oxydation qui provoque la corrosion. Troisièmement, la composition chimique du FAME peut le rendre plus sensible à l'encrassement microbien en cas de mauvaise gestion des réservoirs de stockage, ce qui peut entraîner la corrosion des réservoirs de stockage et le colmatage des conduites de carburant. Quatrièmement, le biodiesel FAME a une température relativement élevée à laquelle il commencera à geler et à former des cristaux visibles. Ceci est connu en termes techniques comme le point de trouble du carburant. Par exemple, le point de trouble du biodiesel FAME fabriqué à partir d'huile de soja est d'environ 34 degrés Fahrenheit, contre environ 16 degrés Fahrenheit pour le diesel pétrolier. Si le processus de congélation se poursuit, le carburant finira par se solidifier complètement, une condition connue sous le nom de "gélification". Une fois la gélification effectuée, le carburant solidifié ne s'écoulera pas dans les conduites de carburant. Pour ces raisons, le biodiesel FAME est mélangé avec du diesel pétrolier pour la consommation finale. Les mélanges courants comprennent le B5 (jusqu'à 5 % de biodiesel) et le B20 (6 à 20 % de biodiesel).

En plus de certains des défis auxquels est confrontée l'utilisation du biodiesel, il présente d'autres aspects positifs pour les utilisateurs. Par exemple, le biodiesel a des caractéristiques de lubrification souhaitables en raison de sa composition chimique. Cette caractéristique aide à prévenir l'usure prématurée du moteur.

Le diesel renouvelable, parfois appelé huile végétale hydrotraitée (HVO) ou diesel vert, est produit à l'aide de plusieurs procédés de production. Aux États-Unis, le processus le plus courant est connu sous le nom d'hydrotraitement ou d'hydrotraitement (AFDC, 2022b). Le processus d'hydrotraitement est parallèle au processus utilisé pour "craquer" le pétrole brut en essence, diesel et autres produits pétroliers dans une raffinerie de pétrole brut. Par conséquent, les installations de production de diesel renouvelable sont de plus en plus des parties converties de raffineries de pétrole brut ou des conversions complètes de raffineries. Certaines sont des installations de raffinage entièrement nouvelles. La possibilité de passer du raffinage du pétrole brut au raffinage des graisses et huiles organiques existe pour toutes les technologies si les conditions économiques l'exigent. Étant donné que la technologie de raffinage du pétrole brut est utilisée pour produire du diesel renouvelable, les coûts en capital sont considérablement plus élevés pour la production de diesel renouvelable par rapport à la production de FAME.

La figure 2 présente un schéma de production de diesel renouvelable par hydrotraitement. Comme le processus de production FAME, les impuretés doivent être éliminées avant de commencer le processus de raffinage. L'étape suivante est l'entrée de la charge d'alimentation renouvelable traitée et de l'hydrogène dans le réacteur d'hydrotraitement, où ils s'écoulent sur un lit de catalyseur particulaire solide. À ce stade, le catalyseur déclenche des réactions d'hydrogène avec la charge d'alimentation à haute température et pression, formant principalement des molécules d'eau et d'hydrocarbures liquides qui peuvent être utilisées comme carburant avec un traitement supplémentaire. Après l'hydrotraitement, le mélange de produits du réacteur se déplace vers une unité de séparation où la vapeur et d'autres gaz de produits légers sont éliminés sous forme de vapeur et l'hydrocarbure liquide hydrogéné quitte le processus, principalement constitué d'alcanes à longue chaîne. Ensuite, le flux liquide passe à travers une série de colonnes de distillation, séparant les produits par leurs points d'ébullition. En plus de produire du diesel renouvelable, cela donne également des coproduits tels que le gaz combustible, le GPL et le naphta. Les besoins en matières premières pour la production de diesel renouvelable sont plus importants que pour le biodiesel et varient en fonction des proportions finales des coproduits souhaités du processus de production. La raison pour laquelle les besoins en matières premières sont plus élevés est qu'une plus grande quantité de matière est perdue au cours du processus de production de diesel renouvelable. Bien qu'il existe de grandes variations dans l'industrie de la production de diesel renouvelable, une référence raisonnable est qu'environ 8 livres de matière première sont utilisées pour produire 1 gallon de diesel renouvelable et de petites quantités de naphta et de propane (Xu, et. al., 2022 ).

Le diesel renouvelable est fondamentalement différent du biodiesel FAME, en ce sens qu'il ne contient que de l'hydrogène et du carbone, ce qui en fait un carburant hydrocarboné au même titre que le diesel pétrolier. Bien qu'il ne soit pas identique au diesel pétrolier, le diesel renouvelable est si proche qu'il est considéré comme un substitut « indirect » du diesel pétrolier. En d'autres termes, le diesel renouvelable n'a pas besoin d'être mélangé avec du diesel pétrolier pour être utilisé comme carburant « spec » dans les moteurs diesel modernes. La nature de substitution du diesel renouvelable est un avantage significatif par rapport au biodiesel FAME. Le diesel renouvelable a un contenu énergétique légèrement inférieur à celui du diesel pétrolier (quatre pour cent de moins en volume), mais cela peut être compensé par d'autres propriétés souhaitables du diesel renouvelable (Brown, 2020).

Enfin, notez que des produits mixtes existent, tels que 5 % de diesel renouvelable avec 95 % de diesel pétrolier (R5) et 20 % de diesel renouvelable avec 80 % de pétrole (R20) (EIA, 2020). Si le diesel renouvelable est mélangé, les deux carburants sont si similaires que la datation au carbone est nécessaire pour faire la distinction entre le carbone fossile dans le diesel pétrolier et le carbone organique dans le diesel renouvelable (Brown, 2020). Il convient également de noter qu'il n'est pas inhabituel qu'une petite quantité de biodiesel soit mélangée à du diesel renouvelable à des fins de lubrification.

Le boom de la production de diesel renouvelable a soulevé une foule de questions sur les impacts potentiels sur l'agriculture américaine. Afin de répondre à ces questions, il est crucial d'avoir d'abord une compréhension claire de la différence entre le diesel renouvelable et le biodiesel FAME, historiquement le plus important des deux carburants renouvelables. Alors que les mêmes graisses et huiles organiques sont utilisées pour fabriquer les deux carburants, les processus de production sont radicalement différents. Le biodiesel utilise un processus de production de réaction chimique relativement simple. Pour cette raison, le biodiesel est normalement mélangé avec du diesel pétrolier pour être utilisé dans les moteurs diesel modernes. En revanche, le diesel renouvelable est entièrement raffiné et craqué à l'aide de la technologie de raffinage du pétrole. Il en résulte un carburant hydrocarbure « drop-in » qui répond aux mêmes spécifications techniques que le diesel pétrolier et, en tant que tel, peut être utilisé en remplacement complet du diesel pétrolier.

Le prochain article de cette série examinera le cadre économique de base des marchés du biodiesel et du diesel renouvelable et les politiques qui soutiennent le secteur.

1 Cette recherche a été financée [en partie] par le Service de recherche économique du Département de l'agriculture des États-Unis. Les résultats et les conclusions de cette publication sont ceux des auteurs et ne doivent pas être interprétés comme représentant une décision ou une politique officielle de l'USDA ou du gouvernement américain.

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Centre de données sur les carburants alternatifs, Département américain de l'énergie. Biocarburants à base d'hydrocarbures renouvelables, 2022b. https://afdc.energy.gov/fuels/emerging_hydrocarbon.html

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Xu, Hui, L. Ou, Y. Li, T. Hawkins et M. Wang. "Émissions de gaz à effet de serre du cycle de vie de la production de biodiesel et de diesel renouvelable aux États-Unis." Sciences et technologies de l'environnement, 2022(56):7512-7521. https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.est.2c00289

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