Energie renouvelable : les ressources végétales renouvellent la chimie !
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Publié le 05/02/2009
Résumé

Les végétaux peuvent remplacer le pétrole dans la majorité des process de l'industrie chimique. Ils ont l'avantage d'être renouvelables, biodégradables et leur production ne contribue pas ou peu aux gaz à effet de serre. Mais pour se substituer à la pétrochimie, cette chimie verte doit encore démontrer son efficacité industrielle, économique et environnementale. Dans ce domaine, innovations et évaluations vont bon train.

 

Article rédigé par le service communication de l'INRA, édité par Nicolas Lévy, responsable scientifique du site CultureSciences-Chimie.

 


1. Présentation

Les végétaux peuvent remplacer le pétrole dans la majorité des process de l'industrie chimique. Ils ont l'avantage d'être renouvelables, biodégradables et leur production ne contribue pas ou peu aux gaz à effet de serre. Mais pour se substituer à la pétrochimie, cette chimie verte doit encore démontrer son efficacité industrielle, économique et environnementale. Dans ce domaine, innovations et évaluations vont bon train.

2. Introduction

En demi-sommeil depuis un siècle, la chimie verte s'est réveillée sous l'effet conjugué des avancées biotechnologiques et d'une réglementation plus stricte contre les rejets dans l'environnement. Elle est dorénavant capable de mettre à disposition de l'industrie chimique des molécules comparables à celles issues de la pétrochimie, mais produites à partir de lipides, d'amidon, de saccharose et de cellulose... Biocarburants, biolubrifiants et sacs plastiques biodégradables sont commercialisés, cependant la chimie verte n'a encore révélé qu'une part des qualités et potentialités de ses « agro-ressources ».[1]

À l'Inra, une vingtaine d'unités de recherche se mobilisent sur la chimie verte : elles approfondissent les connaissances génériques de la matière végétale et mettent en valeur léventail des aptitudes des ressources renouvelables. L'Inra explore aussi des procédés biotechnologiques d'intérêt industriel.

 

Figure 1. Des agroressources ?

Des agroressources ?
Crédit photo : Alain Begley.

Par analogie avec la pétrochimie, on classe la chimie verte par origine de ses ressources : la lipochimie transforme les huiles végétales en solvants alors que la sucrochimie valorise les propriétés détergentes et tensioactives du saccharose...

Si utiliser des plantes à des fins non alimentaires n'est pas nouveau, l'innovation réside dans la palette des usages et des procédés à l'oeuvre : fibres et résines trouvent une nouvelle jeunesse dans les biomatériaux de construction, lipides et protéines servent de bases chimiques pour lubrifiants, détergents, tensioactifs...

 

3. Des molécules à tout faire ...

Plusieurs marchés de la chimie cohabitent. Des molécules intéressent des marchés de masse tels ceux de l'énergie ou les intermédiaires chimiques employés dans la chimie lourde (biopolymères, acides gras). Les biolubrifiants par exemple représentent déjà 20% des lubrifiants totaux. Ils remplacent communément les fluides hydrauliques dans les machines agricoles, pompes, vérins...

On les retrouve également comme fluidifiants du bitume pour faciliter sa pose. Issus d'huile de tournesol, ils sont un peu plus coûteux que les fluidifiants pétrochimiques, mais ne dégagent pas de composé organique volatil (COV) désagréable et nocif et s'utilisent à une température plus faible ce qui améliore les conditions de chantier.

D'autres molécules valorisent des propriétés pointues et ciblent des niches commerciales à haute valeur ajoutée - pharmacopée, cosmétique- ou des usages alimentaires indirects, tels les films d'emballage alimentaire comestibles et/ou biodégradables.

Selon l'importance que prendront les ressources végétales dans la chimie, le paysage agricole pourrait évoluer sensiblement. Aux États-Unis, les estimations du National Research Council (2000) évaluent qu'un quart de la production chimique organique proviendra de ressources renouvelables en 2020 et 90% en 2090. En France, aujourd'hui, 97% des produits chimiques sont d'origine pétrochimique. Et la concurrence s'avère rude : les ressources renouvelables font surtout valoir le label vert que l'on peut leur apposer...

 

4. ... et dégradables.

Les molécules végétales (et animales d'ailleurs) au départ ont en effet l'avantage d'être généralement recyclables, compostables ou biodégradables, tandis que les molécules issues de la pétrochimie sont plutôt réfractaires à la dégradation. Les critères d'écocompatibilité prennent aussi en compte la toxicité pour l'homme et lécotoxité, toutes deux souvent plus réduites quant il s'agit de ressources naturelles.

L'Inra étudie ces aspects pour l'ensemble des ressources végétales cultivées (plantes et bois) en cherchant à chaque fois à réduire l'impact environnemental selon les filières de transformation, ou de combustion pour le bois. Notons que la notion de biodégradabilité qui n'est pas liée à l'origine biologique des produits, reste une question de recherche tant sur ses mécanismes, que sur son évaluation ou sur l'organisation que suppose une filière de recyclage et d'élimination des déchets organiques.

 

5. Les biomatériaux

 

Les chercheurs de Montpellier[2]et de Nantes ont par exemple démontré que les biomatériaux obtenus à partir de gluten associaient performances énergétiques et industrielles avec biodégradabilité et non-toxicité quels que soient les procédés de transformation employés. Ils valorisent, de plus, des propriétés spécifiques des matériaux d'origines naturelles : solubilité, perméabilité...

 

Figure 2. Démoulage d'un film de gluten

Démoulage d'un film de gluten
Crédit photo : Chantal Nicolas.

Ces biomatériaux sont toujours fondés sur des biopolymères. Ils peuvent être déjà présents dans la matière végétale comme l'amidon des céréales, les protéines du blé (gluten), des oléagineux et protéagineux, la cellulose issue des plantes fibreuses annuelles ou pérennes. Par ailleurs d'autres polymères peuvent être néoformés en recourant à des biotechnologies.

Encore dans un marché de niche, les bioplastiques connaissent aujourd'hui une croissance rapide : la production mondiale de polymères biodégradables pourrait décupler dans les 5 années à venir. Les principaux freins à leur développement sont actuellement leur coût de fabrication et l'adéquation de certaines propriétés aujourd'hui inférieures à celles de leurs homologues issus de la pétrochimie.

Cependant les innovations foisonnent et revisitent complètement les débouchés usuels. Le chanvre connaît ainsi une renaissance remarquable dans la construction pour ses capacités isolantes, en remplacement de la laine de verre ou en association avec la chaux en substitution des parpaings de béton. Les qualités de la fibre de bois, étudiées à l'Inra de Bordeaux intéressent les fabricants ... d'objets absorbants (couches culottes, etc.). L'amidon de maïs est, quant à lui, transformé en film à usage agricole.

 

6. Les biocarburants

Sur le devant de la scène médiatique, la production de biocarburants est actuellement dopée par la hausse des prix du pétrole. À l'origine, la réforme de la Politique agricole commune, en 1992, a offert aux agriculteurs la possibilité de valoriser leurs jachères (imposées pour réguler les marchés alimentaires) en y produisant des bioénergies.

La France s'est alors lancée dans deux filières parallèles. D'une part, le biodiesel, plus connu sous son nom de marque « diester » : un ester (ester méthylique huile végétale, EMHV) produit par réaction du méthanol (pétrochimique) sur des huiles végétales provenant de colza et accessoirement de tournesol. Cet EMHV est mélangé règlementairement au gazole jusqu'à 5%. D'autre part, l'ETBE (Éthyl tertio butyl ether) obtenu par synthèse à partir de bioéthanol provenant de blé et de betterave et d'isobutylène issu de raffinerie pétrochimique. L'ETBE est incorporé à l'essence à hauteur de 15% maximum, selon la règlementation, pour constituer l'essence sans plomb que l'on trouve aujourd'hui à la pompe.

Le biodiesel est l'option qui connaît la plus forte croissance : + 28% entre 2003 et 2004 dans l'UE. Il représente l'essentiel des surfaces cultivées à des fins énergétiques en France.

ETBE et biodiesel ont permis d'initier le développement de la filière biocarburant. Cependant, on ne saurait en rester là. Trop d'hectares sont nécessaires : le colza produit peu d'énergie par hectare ; le blé et la betterave en produisent davantage mais avec un bilan énergétique global moins favorable. En extrapolant, couvrir les besoins énergétiques en carburant immobiliserait la quasi-totalité de la surface agricole française !

 

7. Un développement encore indécis

La période actuelle apparaît comme une phase de transition vers une « deuxième génération » de biocarburants. Plusieurs voies sont ouvertes. L'utilisation du bioéthanol pur, sans mélange avec des composants pétrochimiques, à l'instar de ce qui se fait au Brésil, aux États-Unis ou en Suède. Cela nécessite d'adapter les moteurs, mais réduit sensiblement les émissions de gaz à effet de serre ainsi que d'autres polluants atmosphériques (particules, monoxyde de carbone, composés précurseurs de l'ozone).

Autre option : certaines organisations agricoles revendiquent l'utilisation d'huiles pures comme carburant. De nombreuses expériences ont vu le jour pour alimenter les tracteurs. Cependant les constructeurs n'y sont pas favorables (les propriétés des huiles variant significativement en fonction des cultures oléagineuses) et la combustion de l'huile ne respecte pas la réglementation antipollution actuelle.

 

8. Valoriser la plante entière

La troisième option, travaillée par les chercheurs, consiste à convertir la biomasse de la plante entière. La biomasse provient l'accumulation des produits de la photosynthèse dans les végétaux au cours de leur vie. Quantitativement, le bois fournit l'essentiel de la biomasse[3], mais les plantes annuelles (céréales, oléagineux, betterave, lin, chanvre...) ou leurs sous-produits (paille, son) ainsi que les cultures pérennes (légumineuses, fétuques...) et les taillis à courte rotation (saules, peupliers) offrent de nouvelles perspectives. Parmi ces ressources, le miscanthus, herbacée pérenne, pourrait jouer sous nos climats un rôle analogue à celui de la canne à sucre. Cependant, plutôt que de privilégier une ressource « miracle », ce sont l'addition et la complémentarité des différentes offres en biomasse agricole et forestière qui permettront de changer d'échelle et de positionner avantageusement les agro-ressources sur le marché des énergies.

Figure 3. Miscanthus

Miscanthus
Crédit photo : INRA.

La transformation de la plante entière a trois atouts : elle permet de maximiser le rendement énergétique à l'hectare ; elle limite les surfaces nécessaires ; il n'y a pas de sous-produits.

L'amidon des grains a déjà dévoilé son pouvoir énergétique, il s'agit dorénavant de transformer les tiges et les troncs des végétaux, composés de lignocellulose. Deux voies sont envisagées [4]: la voie thermochimique et la voie biochimique, l'Inra ne s'intéressant qu'à cette dernière en termes de procédés de transformation.

 

9. Freins technologiques

Les recherches approfondissent d'une part les connaissances génériques sur les tissus lignocellulosiques : organisation des parois végétales, réactions physico-chimiques et cytochimiques qui caractérisent la matière fibreuse. D'autre part, les travaux plus appliqués définissent les technologies les mieux appropriées. Car la transformation de la lignocellulose est problématique : cette seule étape coûte environ la moitié du prix de revient de l'éthanol produit. Il s'agit de séparer la lignine et la cellulose et de les transformer en sucres puis en alcool. La conversion des pentoses (sucre à 5 carbones) étant encore un défi pour la recherche.

L'Inra privilégie l'hydrolyse enzymatique (coupure des molécules par des enzymes) à l'hydrolyse chimique : l'action des enzymes est hautement spécifique, elle n'engendre aucun sous-produit et le potentiel biotechnologique permet d'envisager de réduire les coûts. Actuellement, on utilise surtout des levures.

À Reims [5], l'Inra étudie l'action d'enzymes de la bactérie Thermobacillus xylanilyticus sur la paille et le son de blé. Le passage au stade industriel est exploré avec la société ARD dans le cadre du pôle de compétitivité « Industries et agro-ressources » porté par les régions Champagne-Ardenne et Picardie.

Figure 4. Coupe de son de blé en autofluorescence (acide ferulique).

Coupe de son de blé en autofluorescence (acide ferulique).
Crédit photo : Chantal Nicolas.

À Marseille, l'Inra [6]travaille à partir d'enzymes issues de champignons filamenteux. Le programme européen Nile[7], conduit en partenariat avec l'Institut français du pétrole, vise à mettre au point un procédé qui sera testé sur véhicules à l'horizon 2009.

Figure 5. Lentinus tigrinus cultivé in vitro.

Lentinus tigrinus cultivé in vitro.
Crédit photo : INRA.

En parallèle des recherches biotechnologiques, il faut imaginer l'organisation d'une telle filière biocarburant. Quelle dimension pour le bassin de production et de collecte par exemple ? Utiliser les pailles suppose en effet d'acheminer des volumes très importants vers les usines de transformation et de prendre en compte le cycle saisonnier de l'approvisionnement. La complémentarité des sources de biomasse peut alors s'avérer indispensable pour viabiliser l'unité industrielle. La répartition géographique de la production et des usines de transformation influencera les ressources à privilégier : si avec ses grandes cultures, la Picardie-Champagne Ardennes est aujourd'hui pionnière et bien placée pour jouer un rôle majeur dans la filière biocarburant, on peut imaginer d'autres équilibres entre les sources de biomasse au sud de la Loire. La participation dans le secteur de l'énergie d'acteurs agricoles et forestiers, mais aussi d'industries papetières via leurs sous-produits ou encore de collectivités en charge du recyclage de déchets oblige enfin à imaginer de nouveaux rapports socio-économiques.

 

10. Ecobilans et cycles de vie

La légitimité des filières biocarburants, comme de la chimie verte, tient dans leur contribution au développement durable. L'Inra, à Versailles-Grignon en particulier, s'est forgé une expertise dans l'évaluation de l'impact environnemental de ces jeunes filières. L'évaluation associe des analyses de cycle de vie[8]et des approches pluridisciplinaires. L'Institut a ainsi mis au point des méthodes et modèles (oscar...) capables de mesurer le plus complètement possible l'apport et les limites des filières biocarburants. L'écobilan revient notamment à quantifier sous forme de flux de matières toutes les activités en jeu dans leur production : depuis l'énergie consommée pour fournir les engrais épandus sur les cultures jusqu'à l'émission de gaz à effet de serre lors de la combustion dans un moteur.

Sur ce point, les effets positifs des biocarburants sont indéniables mais modestes : ils permettent aujourd'hui d'économiser 1% de nos émissions en CO2 par an, le biodiesel ayant un meilleur rendement énergétique que le bioéthanol (-70% de rejets de CO2 pour le biodiesel par rapport au gazole pur contre -20% pour l'éthanol par rapport à l'essence). À l'horizon 2010 si l'on respecte les exigences européennes, les biocarburants permettront une économie nette de 0,7 Mtep de pétrole à 1,3 Mtep (calcul Inra) qu'il faut comparer aux 2,9 Mtep consommées par l'agriculture en 2004 et aux 92,8 Mtep de pétrole consommées annuellement...Même ambitieux, le programme biocarburant ne contribue donc que marginalement à l'indépendance énergétique. D'où l'intérêt des recherches sur la lignocellulose qui ouvrent sur une autre voie potentiellement plus efficace.

Enfin, à l'échelle locale, l'évaluation des bénéfices environnementaux reste difficile à mesurer. Les pollutions agricoles résultant de la production des blés, betteraves et colzas destinés aux bioénergies sont peu prises en compte dans les écobilans actuels. Or l'acceptabilité des filières localement en dépend. Mais là encore, privilégier la production de biomasse sur la production de grains permettra de s'affranchir de beaucoup de traitements phytosanitaires, la croissance des feuilles et des tiges étant moins sensible aux attaques que la floraison et la fructification.

 

11. Bibliographie et ressources en ligne

[1] De nombreuses ressources sur le thème du Développement Durable peuvent être consultées via le portail des sites jumeaux ENS/DESCO en relation avec l'Éducation à l'Environnement pour un Développement Durable.

[2] La chimie verte, sous la dir. de Paul Colonna (Inra), Éditions Tec et Doc, décembre 2005.

[3] Site dédié aux énergies renouvelables.

[4] Les biocarburants : de la 1ère à la 3ème génération !

 

Cet article provient de l'espace communication de l'INRA.

 


[1] Les énergies renouvelables couvrent au delà des ressources agricoles : l'éolien, le photovoltaïque solaire thermique, la géothermie, le biogaz, le bois-énergie.

[2] UMR ingéniérie des agropolymères et technologies émergentes.

[3] Le bois est la principale source de biomasse (combustion); viennent ensuite les déchets ménagers et déjections animales (incinération, méthanisation) ; puis les cultures annuelles ou pérennes (fermentation).

[4] Sans préminence de l'une ou l'autre en l'état actuel des connaissances.

[5] UMR Fare, Fractionnement des agroressource.

[6] UMR 1163 Biotechnologie des champignons filamenteux.

[7] New Improvements for Lignicellulosic Ethanol. Sixth Framework Programme Priority (Sustainable Energy Systems).

[8] Le cycle de vie est le temps que le produit met à se dégrader.

 

 
 
 
 
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