Recherche N°09 – Décembre 2014
CHIMIE ET MATÉRIAUX BIOSOURCÉS Améliorer l’impact environnemental des produits
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PRODUITS BIOSOURCÉS Des défis à relever
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RENCONTRE AVEC… Michel Maugenet, président de l’entreprise Innobat, et Alba Departe, ingénieur au service Bioressources de l’ADEME
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Chimie et matériaux biosourcés ÉDITO /
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DAMIEN SIESS Directeur adjoint, direction Production et Énergies durables
Filières industrielles stratégiques de l’économie verte, la chimie et les matériaux biosourcés ont leur rôle à jouer dans la transition énergétique. L’ADEME accompagne ces filières depuis 20 ans, en mettant à leur disposition un ensemble d’outils complémentaires, allant de la recherche appliquée à la démonstration préindustrielle : thèses, appels à projets de recherche et Programme des Investissement d’Avenir (PIA). Les recherches soutenues visent à lever les verrous qui limitent les performances techniques, économiques et environnementales des produits biosourcés. L’ADEME a ainsi attribué environ 90M€ d’aide au cofinancement de projets collaboratifs dans ce domaine depuis 1994, grâce aux appels à projets de recherche AGRICE (28 M€), Bioressources Industries et Performances (7,5M€) et au PIA (28M€). Le contexte actuel est favorable aux produits biosourcés et l’action de l’ADEME s’inscrit en complémentarité de celles mises en œuvre par les autres parties prenantes pour accélérer le développement de cette filière, notamment les ministères, l’association Chimie du Végétal et les pôles de compétitivité (IAR, Xylofutur…). ,
Améliorer l’impact environnemental des produits Les filières chimie et matériaux biosourcés peuvent contribuer à réduire la dépendance au pétrole de la chimie traditionnelle et à améliorer son bilan environnemental. Le programme de recherche BIP soutient des projets visant à accélérer cette mutation.
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es produits biosourcés pour la chimie et les matériaux sont des produits industriels non alimentaires et non énergétiques, obtenus à partir de matières premières renouvelables issues de la biomasse (végétaux majoritairement). Si la recherche sur les produits biosourcés a d’abord été initiée pour trouver un débouché aux productions agricoles excédentaires, elle s’est désormais déplacée vers la diversification des matières premières, afin de limiter les concurrences entre usages, et vers le renforcement des attentes environnementales pour les produits biosourcés.
BIP, RELAIS DU PROGRAMME AGRICE Le programme Bioressources, Industries et Performance (BIP), lancé en 2008, prend le relais du programme AGRICE, qui a contribué à faire émerger une filière scientifique et technique sur le sujet. De 1994 à 2013, environ 220 projets collaboratifs ont été soutenus sur les thématiques chimie et matériaux biosourcés. Le caractère industriel marqué est une spécificité de ces appels à projets de recherche. Dans le programme de recherche BIP, une orientation forte est donnée au développement de produits utilisant les ressources dites de deuxième génération : les ressources lignocellulosiques, comme les coproduits de l’agriculture, les ressources forestières, les cultures dédiées (lin, chanvre…) ou encore les taillis à courte rotation, mais aussi les coproduits et certains déchets de l’industrie (agroalimentaire, chimique, etc.). >>>
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Actualité de la recherche
Résultats significatifs
>>> Plus récemment encore, des travaux de recherche soutenus s’appuient sur une troisième génération de ressources : les cultures de micro-organismes et d’algues. Ainsi, si les cultures oléagineuses et céréalières ont représenté les deux tiers des projets lors d’AGRICE II, elles ne constituent dorénavant pas plus de 10 % des projets accompagnés par l’ADEME. L’un des objectifs fondamentaux du programme BIP est d’accélérer la mutation des technologies traditionnelles de l’industrie chimique vers des procédés visant à incorporer une part de plus en plus importante de matières premières végétales à la place des ressources fossiles traditionnelles, dans l’objectif de réduire notre dépendance au pétrole et nos émissions de gaz à effet de serre. Au-delà de cette première exigence, les projets de recherche sur les produits biosourcés doivent combiner trois dimensions : la performance technique – au moins équivalente aux produits substitués –, un moindre impact environnemental et la compétitivité économique à terme. Si l’énonciation de ces critères est simple, leur appréciation et leur combinaison exigent encore de nombreux travaux de recherche. Pour le critère environnemental, par exemple, l’utilisation de matière renouvelable est a priori favorable ; pour autant les conditions de production des biomasses et de mise en œuvre des procédés doivent être évaluées : niveau de consommation d’énergie, quantité de gaz à effet de serre émise, risque d’eutrophisation, d’acidification… La réalisation d’Analyse de Cycle de Vie* (ACV) est d’ailleurs dorénavant obligatoire pour les projets déposés dans le cadre du programme BIP, afin de faire la preuve de l’intérêt environnemental. Et cette exigence peut révéler aux entreprises des voies d’amélioration de leurs procédés. Les projets de développement soutenus portent sur la mise en œuvre, la validation et l’optimisation de procédés innovants de conversion de la biomasse en produits pour la chimie et en matériaux, ces procédés devant présenter des bilans matière, énergétique et environnemental optimisés.
UN SECTEUR EN PLEIN DÉVELOPPEMENT Bien qu’encore jeunes, les filières chimie et matériaux biosourcés offrent des opportunités de création de valeur et d’emplois (lire l’encadré). Afin de donner un coup d’accélérateur à ces filières, plusieurs initiatives structurantes ont été mises en place. Dans le cadre des Investissements d’Avenir, deux instituts pour la transition énergétique (ITE) ont été retenus : PIVERT (Picardie Innovations Végétales, Enseignements et Recherches Technologiques) et IFMAS (Institut Français des Matériaux Agro-Sourcés). L’un des 34 plans industriels lancés en septembre 2013 par l’État est consacré à la « chimie verte et aux biocarburants ». Il accompagne l’investissement industriel et l’évolution du cadre réglementaire. Enfin, la Commission européenne a lancé simultanément un partenariat public privé (Biobased Industries Consortium), destiné à soutenir la recherche jusqu’à la mise en œuvre de premières unités industrielles. / * L’ACV mesure des impacts potentiels et non réels, mais c’est la méthode la mieux reconnue pour quantifier des impacts environnementaux sur l’ensemble du cycle de vie.
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alba.departe@ademe.fr
ZOOM SUR /
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Les emplois de la filière Une étude de l’ADEME intitulée Emplois actuels et futurs pour la filière chimie du végétal estimait en 2012 – par différents croisements de données – à environ 23400 le nombre d’emplois directs des filières chimie et matériaux biosourcés, dont : • 3000 emplois pour les premières transformations agroindustrielles (hors production de la biomasse); • 6800 emplois pour l’industrie chimique en charge de l’élaboration des premiers produits simples comme les tensioactifs, solvants, lubrifiants, résines et composites; • 12700 emplois pour les activités de transformation et de formulation des secteurs des cosmétiques, des peintures, encres et vernis, de la plasturgie et des détergents; • et, enfin, 900 emplois pour les acteurs transversaux comme les sociétés de biotechnologies et les académiques. Selon un scénario optimiste (forte augmentation du prix des ressources fossiles et stabilité des prix des ressources végétales), ces emplois pourraient quasiment doubler à l’horizon 2020.
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© Innobat
LES CRITÈRES DE SOUTIEN DES PROJETS
Produits biosourcés
Des défis à
Introduire davantage de biomasse d biosourcés est un défi, pour des rais Les produits substitués doivent êtr
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erdir la chimie suppose de résoudre plusieurs difficultés. Les produits issus de la biomasse doivent subir des procédés de première transformation pour obtenir des intermédiaires homogènes (voir la partie gauche du schéma) et il faut garantir les performances techniques des produits finis. En outre, ces produits doivent être compétitifs par rapport à leur alternative. L’ADEME accompagne les recherches sur l’ensemble de la chaîne de transformation, pour permettre le développement de molécules destinées à la formulation de produits chimiques (tensioactifs, solvants, lubrifiants, etc.) et de matériaux biosourcés. Voici quelques résultats pour ces deux grands enjeux.
SUBSTITUER LES MOLÉCULES CHIMIQUES INTERMÉDIAIRES* Produire des molécules intermédiaires à partir de biomasse suppose soit d’adapter les procédés classiques de l’industrie chimique, comme la catalyse, soit d’en développer de nouveaux : chimiques, biotechnologiques, etc. Ces procédés originaux et adaptés permettent de valoriser les particularités de ces matières premières plus riches en oxygène que les hydrocarbures fossiles habituellement utilisés. Le projet NAPAPI, porté par l’entreprise Bostik, l’ITERG et le Laboratoire de chimie des polymères organiques (LCPO), a permis de mettre au point un
> 03 Agriculteurs, coopératives agricoles...
Agro-industries
Récolte et transport des bioressources
Industries chimiques
Plantes oléagineuses, Prétraitements protéagineuses, amidonnières, ressources sylvicoles...
Biomasse résiduelle Résidus forestiers et agricoles, coproduits des biocarburants, boues de STEP...
Distributeurs
Groupes de molécules valorisables Amidon/Protéines pour fabrication de colles...
Production de biomasse
Industries process
Éléments issus des premières séparations physiques ou (bio)chimiques • Grain, tige, tubercule...
Produits fonctionnalisés
Éco-conception Formulation Mise en forme Fabrication Assemblage Finition / Décoration
Matériaux biosourcés (plastiques et composites), parfums, arômes, médicaments, lessives, peintures, vernis, encres, lubrifiants, additifs carburants...
Tensioactifs, solvants, lubrifiants, adhésifs, polymères...
Fonctionnalisation Séparation Purification Fonctionnalisation Intermédiaires chimiques Séparation Purification Éthanol, acroléine,
• Huile, amidon, lignine, cellulose, protéine, résines... • Sucres, acides gras, fibres...
relever
dans les filières chimie et matériaux isons techniques et économiques. re performants et compétitifs. procédé de synthèse de polyuréthanes à partir d’huiles végétales. Les débouchés pour ces molécules sont la fabrication d’adhésifs et de colles pour les secteurs industriel et domestique, représentant un marché mondial de l’ordre de 30 milliards d’euros. Les huiles végétales utilisées proviennent principalement de tournesol. Le projet NAPAPI a montré que les polymères biosourcés synthétisés présentent des propriétés techniques intéressantes et leur ACV met en évidence une réduction de la consommation d’énergie et des émissions de gaz à effet de serre au regard des produits fossiles substitués. Le projet RAFFIBLE a permis de faire la preuve de débouchés compétitifs pour des résidus agricoles lignocellulosiques, les pailles et les sons de blé. Porté par le centre de recherche privé ARD et l’Université de Reims, le projet a développé à l’échelle du laboratoire un nouveau prétraitement efficace pour la conversion de ces ressources en tensioactifs. Le prix de revient est compétitif et le procédé pourrait permettre de consommer 80% d’énergie en moins par rapport à l’existant (solution de référence commerciale d’origine pétrochimique). L’industrie chimique utilise de très grandes quantités de tensioactifs pour la détergence, la cosmétique, les produits phytosanitaires, l’agroalimentaire, etc. BIOBUTTERFLY est un projet récemment sélectionné dans le cadre des Investissements d’Avenir pour
Distribution / Commercialisation du produit fini
1,3-propanediol, épichlorhydrine, acides lactique / succinique, isosorbide...
Source : ADEME, feuille de route Chimie du végétal, Connaître pour Agir, avril 2011 (réf. 7302)
ouvrir de nouvelles voies de production de butadiène à partir de biomasse. Le butadiène est un réactif nécessaire à la fabrication des caoutchoucs synthétiques, destinés en majorité au secteur des pneumatiques. Porté par Michelin, l’IFPEN et Axens, le projet prévoit à terme la construction d’un démonstrateur préindustriel pour faire la preuve de la pertinence industrielle des choix technologiques qui seront posés et qui devront d’abord attester de leur performance. Pour atteindre ces objectifs, un volet consacré à la sécurisation des approvisionnements est également prévu.
DE NOUVEAUX MATÉRIAUX COMPOSITES Un matériau composite est constitué d’une ossature, le renfort, et d’un liant, la matrice, qui assure la cohésion de la structure (dans le cas du béton armé, le renfort est l’acier, la matrice le béton). Les principales applications de ces matériaux appartiennent aux secteurs des transports, du bâtiment ou encore des sports et des loisirs. Plusieurs voies d’innovation via l’incorporation de matières biosourcées sont
possibles, notamment la substitution des renforts par des fibres végétales et/ou la substitution de la matrice pétrosourcée par une biosourcée. Ainsi, plusieurs recherches expérimentent l’intérêt des fibres végétales, comme celles du chanvre ou du lin, pour remplacer les renforts habituellement utilisés comme le métal, la fibre de verre, etc. Elles ont des propriétés mécaniques intéressantes, elles sont aussi plus légères et peuvent contribuer ainsi à l’allègement des véhicules… Néanmoins, il est encore nécessaire d’éprouver l’adhésion des fibres naturelles avec la matrice ainsi que la longévité et la recyclabilité de ces nouveaux produits (lire l’encadré). Le projet BIOBAT a montré l’intérêt d’intégrer des fibres végétales dans un matériau composite pour fabriquer des profilés de menuiserie utilisés dans le bâtiment à la place des matériaux traditionnels, PVC ou aluminium, afin d’améliorer la performance thermique des fenêtres. Porté par la PME Innobat, en partenariat avec l’École des Mines d’Alès et l’ENSCM, le projet a débouché sur la commercialisation d’un nouveau matériau à moindre impact environnemental, dont la technologie très innovante a donné lieu au dépôt d’un brevet international (lire l’interview p. 4). Dans le projet FLEXOFIB, le procédé d’extrusion (« mise en forme » des matières plastiques) a été testé sur des profilés de matériaux composites avec un renfort biosourcé à base de fibres de chanvre et une matrice pétrosourcée. Ces produits extrudés trouvent de nombreuses applications dans les secteurs de l’automobile et du bâtiment. Par la modification de leur renfort devenu biosourcé, ils doivent encore faire la preuve de leur possible industrialisation. Trois partenaires étaient impliqués : CSF pour la formulation et l’extrusion, AFT Plasturgie pour le compoundage et le laboratoire LIMATB pour la caractérisation et l’analyse de ce nouveau matériau. / *C’est-à-dire les intermédiaires chimiques, les produits simples tels que les solvants, les tensioactifs ou encore les polymères… Ils sont le plus souvent à leur tour transformés pour être fonctionnalisés avant d’être formulés avec d’autres ingrédients dans des produits finis.
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alba.departe@ademe.fr virginie.leravalec@ademe.fr alice.gueudet@ademe.fr
Aller plus loin LA FIN DE VIE DES MATÉRIAUX BIOSOURCÉS Pour appréhender cette problématique, l’ADEME a piloté en 2014 une étude portant sur l’identification et la valorisation des gisements actuels et futurs. Deux cas principaux se présentent. Soit les structures des matériaux biosourcés sont identiques à celles des produits pétrochimiques, et ils peuvent suivre les filières de valorisation déjà en place (PET et PE biosourcés). Soit les matériaux biosourcés possèdent une structure innovante pour laquelle il n’existe pas encore de filières de valorisation spécifiques. Certains de ces matériaux sont compatibles jusqu’à un certain seuil avec les filières actuelles sans altérer les propriétés des matériaux recyclés. Dans le cas où ils sont incompatibles, une valorisation énergétique pourra être envisagée, à titre temporaire, d’ici à ce que les volumes concernés justifient la mise en place de filières de valorisation spécifiques.
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Rencontre avec…
Outils
Michel Maugenet /
président de l’entreprise Innobat
Manifestations
©Innobat
© ADEME
Alba Departe /
ingénieur au service Bioressources de l’ADEME
Matériaux biosourcés
« Une jeune filière prometteuse » Respectueux de l’environnement, performants et potentiellement générateurs d’emploi, les matériaux biosourcés innovants ont décidément bien des atouts. Gros plan sur une solution tout juste émergente. Avant toute chose, comment peut-on définir un matériau biosourcé ? Alba Departe: Il s’agit d’un matériau innovant issu de la biomasse, végétale ou animale. Le concept exclut les utilisations traditionnelles du bois d’œuvre. Actuellement, les principaux secteurs applicatifs sont le bâtiment, les transports et l’emballage. Dans le domaine spécifique de la construction, on trouve par exemple des isolants, des bétons, des profilés de menuiserie, des produits de revêtement, etc. Ces produits sont aujourd’hui majoritairement obtenus à partir de fibres de bois, de lin et de chanvre et de leurs sous-produits. Pourquoi l’ADEME appuie-t-elle leur développement ? A. D. : Si on retrace l’historique concernant le soutien de l’ADEME aux matériaux biosourcés, une priorité forte a été donnée entre 1994 et 2007 aux projets portant sur le développement des plastiques biosourcés et biodégradables, l’enjeu majeur à l’époque étant d’apporter des solutions à la problématique de fin de vie des emballages. Les travaux du Grenelle de l’Environnement en 2007-2008 ont fait émerger de nouvelles priorités, et notamment celle de la construction durable. En effet, les matériaux biosourcés peuvent contribuer à la réduction de l’impact environnemental des bâtiments : non seulement ils sont issus d’une ressource renouvelable, mais ils permettent également de stocker le carbone pendant la durée de vie de la construction tout en présentant de bonnes performances d’isolation thermique. Ils peuvent aussi apporter des performances techniques améliorées par rapport aux produits existants : allègement des produits permettant de faciliter leur manipulation, bonne isolation phonique, etc. Enfin, ils présentent un intérêt socio-économique fort : les ressources végétales utilisées par cette filière sont produites sur le territoire national. Leur exploitation nécessite cependant une structuration forte des filières, qui pourraient potentiellement générer des emplois.
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alba.departe@ademe.fr
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Recherche
BP 90406 – 49004 Angers Cedex 01 – www.ademe.fr Directrice de la publication : Anne Varet Rédactrice en chef : Stéphanie Guignard Conception-réalisation : – www.specifique.com ISSN 1961-9405 Abonnement : www.ademe.fr/ademe-et-vous-abonnement
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Transition énergétique et sciences humaines et sociales Les sciences humaines et sociales contribuent à observer et expliquer la manière dont les sociétés s’organisent pour produire, gérer et consommer l’énergie. En 2015, deux rendez-vous permettront de faire le point sur les recherches en cours dans ce domaine : • Le colloque Sciences sociales et Transition énergétique, les 28 et 29 mai 2015, sera l’occasion pour les chercheurs de réfléchir à un agenda de recherche pour les années à venir. Un appel à communications est ouvert jusqu’au 10 décembre. transition-energetique.sciencesconf.org • Les Deuxièmes Journées de sociologie de l’énergie, du 1er au 3 juillet 2015, auront, elles, pour objectif de susciter des rencontres entre chercheurs et acteurs, pour réfléchir ensemble aux enjeux sociaux de la transition énergétique. www.ademe.fr/manifestations
Publications Valorisation chimique du CO2, état des lieux L’ADEME vient de publier une étude sur la valorisation chimique du CO2, son potentiel de développement à l’horizon 2030 et les actions à mettre en œuvre. Téléchargeable gratuitement www.ademe.fr/mediatheque Étude portant sur l’hydrogène et la méthanation comme procédé de valorisation de l’électricité excédentaire La transformation de l’électricité en gaz, injecté dans les réseaux, permettrait de valoriser des excédents de production. À partir de leurs scénarios de prospective énergétique, l’ADEME, GrDF et GRTgaz ont réalisé un état des lieux des avancées et perspectives du « Power to Gas ». Téléchargeable gratuitement www.ademe.fr/mediatheque
Programme Thèses Édition 2014 Dans le cadre de son programme Thèses pour 2014, 49 projets seront financés par l’ADEME, en collaboration avec des entreprises, des collectivités territoriales et des organismes de recherche. Ces travaux s’inscrivent dans cinq thématiques: Villes et territoires durables, Production durable et énergies renouvelables, Agriculture, forêt, sols et biomasse, Impacts de la qualité de l’air sur la santé et l’environnement et Énergie, environnement et société.