Sustainable design of oilseed-based biofuel supply chains : the case of Jatropha in Burkina Faso

par Arnaud Chapuis

Thèse de doctorat en Génie des Procédés et de l'Environnement

Sous la direction de Didier Lecomte et de Joël Blin.

Soutenue le 28-03-2014

à l'Ecole nationale des Mines d'Albi-Carmaux en cotutelle avec l'Institut international d'ingénierie de l'eau et de l'environnement , dans le cadre de École Doctorale Mécanique, Énergétique, Génie civil et Procédés (Toulouse) , en partenariat avec Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés, de l'énergie et de l'environnement (laboratoire) , Laboratoire Biomasse Energie et Biocarburants (laboratoire) et de Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés- de l'énergie et de l'environnement / RAPSODEE (laboratoire) .

Le président du jury était Gilles Trystram.

Le jury était composé de Didier Lecomte, Joël Blin, Gilles Trystram, Daniel Froelich, Gara Villalba Mendez, Marie-Hélène Dabat.

Les rapporteurs étaient Daniel Froelich, Gara Villalba Mendez.

  • Titre traduit

    Conception de filières durables de production de biocarburants oléagineux : le cas des filières Jatropha au Burkina Faso


  • Résumé

    Au Burkina Faso, les biocarburants suscitent de nombreux espoirs quant au développement de l'accès à l'énergie en zone rurale et à la substitution des carburants fossiles importés. Plusieurs initiatives de production de biocarburants à partir de Jatropha ont été lancées au cours des dernières années par des ONG et des opérateurs privés. Le gouvernement envisage de définir une politique d’accompagnement pour le développement de ce secteur. Les bénéfices potentiels issus de cette activité, en terme de contribution au développement durable, doivent donc être soigneusement étudiés afin de prendre les décisions adéquates. L’objectif de ce travail est d’évaluer les opportunités de développement des biocarburants, en définissant les possibilités techniques dans le contexte et en analysant à quelles conditions et dans quelle mesure elles peuvent contribuer au développement durable. L'approche repose sur la modélisation des procédés impliqués dans la production, couplée à des outils d'évaluation environnementale et économique. L'efficacité économique est évaluée par une analyse de la valeur ajoutée produite au sein des filières, ainsi que sa distribution sous forme de revenus, aux employés, aux agents de la filière, à l'état et aux banques. Les impacts environnementaux, notamment les émissions de GES et la consommation d'énergie fossile, sont évalués à l'aide d'une analyse de cycle de vie. Trois produits finaux différents ont été envisagés : l'huile végétale brute (HVB) ou raffinée, destinée à des applications stationnaires et le biodiesel dédié aux transports. Une analyse individuelle de chaque procédé a permis d'identifier les paramètres les plus sensibles au niveau local. Pour tous les procédés, le prix de la matière première conditionne largement le coût de production. Pour la production d’HVB, le rendement en huile et la teneur en huile des graines ont une importance capitale. Les performances économiques du raffinage et de la transestérification de l’huile sont largement influencées par la capacité de transformation des procédés en raison d’économies d'échelle, et dans une moindre mesure, par la technologie et les ressources utilisées pour la fourniture énergétique. Dans le cas de la production de biodiesel, le prix du méthanol est également un facteur crucial. La méthode d'évaluation développée a été appliquée à plusieurs scénarios de production de biocarburants à partir de graines de Jatropha produites par les petits exploitants. Les résultats montrent que la méthode permet d’apporter des informations essentielles pour la prise de décisions politiques. Sur la base d'un prix de marché des graines de 100 FCFA/kg, les trois types de biocarburants envisagés peuvent être produits de manière rentable. Dans certains cas, l’utilisation de technologies avancées pour l'approvisionnement en énergie et la valorisation des sous-produits est indispensable pour atteindre un coût de production compétitif. Cela pourrait aussi être une solution pour augmenter le prix des graines afin d’assurer des revenus plus élevés aux agriculteurs. La production d'huile raffinée pour la production d’électricité est particulièrement coûteuse et nécessite une production à grande échelle pour être rentable. Les filières impliquant une usine de biodiesel approvisionnées par plusieurs huileries décentralisées constituent une solution pour contribuer à la fois à l’amélioration de l'accès à l'énergie en zone rurale et à la substitution des combustibles fossiles. Les revenus perçus par l'Etat sont directement liés à la valeur ajoutée et aux bénéfices générés par les producteurs de biocarburants. Enfin, les impacts environnementaux de la production d’huile sont relativement faibles, en termes d'émissions de GES et de consommation d'énergie fossile, en particulier si la fourniture énergétique est basée sur une ressource renouvelable. En revanche, les impacts de la production de biodiesel sont largement affectés par l'utilisation de méthanol.


  • Résumé

    The development of biofuel production in Burkina Faso, raises high expectations regarding the development of rural energy access and the substitution of imported fossil fuels. Several initiatives for biofuel production from Jatropha oilseeds were launched in recent year by NGOs and private operators.The government is planning to define a policy framework to support the development of this sector. To this end, the potential benefits from this activity needs to be carefully investigated in regard to sustainable development objectives.The goal of this work was to investigate these opportunities by determining the technical possibilities regarding the context and in what conditions and to what extent they can contribute to sustainable development objectives. The approach was based on the modelling and simulation of production processes coupled with environmental and economic assessment tools. Specific experiments were also led whenever data were not available, as for the determination of the oil yield of a screw press. Economic efficiency was assessed using value chain analysis, which consists in calculating the value added generated by the different activities involved in a supply chain, and the distribution of this value in the form of income to the employees, the supply chain players, the state and the banking institutions. Environmental impacts, including greenhouse gas emissions and fossil energy consumption, are evaluated using a partial life-cycle assessment. The production of three different final products was investigated, i.e. straight vegetable oil (SVO), refined oil aimed to be used for stationary applications (power generation, shaft power, pumping…) and biodiesel dedicated to transportation. The analysis of individual processes allowed to identify the most sensitive parameters at a local level. As a general trend for all processes, the price of feedstock dramatically affects the production cost. For SVO production, the oil recovery and the seeds oil content are of paramount importance. The economic performances of the refining and transesterification processes are largely conditioned by the processing capacity, due to economies of scale, and to a lesser extent by the solution employed for energy supply. In the case of biodiesel production, the price of methanol is also a crucial factor. The developed assessment method was applied to several prospective biofuel supply chains, all relying on the production of Jatropha seeds by smallholders. The results have shown that the method can bring crucial information to policy makers. Based on a seed market price of 100 FCFA/kg, any type of biofuel can be produced in a cost effective way. In some cases, the implementation of advanced technologies for energy supply and by-product valorisation is needed to reach the required production cost. This could also be a solution to increase the price of seeds so as to provide higher incomes to farmers. The production of refined oil for power generation appears to be rather expensive relatively to the target, which imposes large processing scales. Supply chains involving a biodiesel plant supplied by several decentralised SVO plants constitute a solution for addressing at the same time rural energy access and the substitution of fossil fuels. Then the income perceived by the State is directly determined by the value and the profits generated by biofuel producers. Eventually, the environmental impacts related to seed processing, in terms of GHG emissions and fossil energy consumption, is relatively low especially when energy requirements are supplied from a renewable resource. By contrast, the impacts of biodiesel production are systematically impaired by the use of methanol of fossil origin in the process.


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  • Détails : 1 vol. (217 p.)
  • Annexes : Bibliogr. à la fin de chaque chapitre

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