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La chimie du végétal
Paul Colonna
CESER d'Ile-de-France, 10 mai 2017
Agrochimie
Agroressources
La bioéconomie
Les produits biosourcés
Chimie du végétal
Chimie verte du Carbone renouvelable
Chimie biosourcée (bio-based)
Economie décarbonée PV et H2
Valorisations agricoles non alimentaires
(VANA)
Valorisation de la biomasse CESER d'Ile-de-France, 10 mai 2017
- (1) répondre aux besoins alimentaires d’une population mondiale d’environ 9,7 milliards d’individus en 2050 (7.3 in 2015), dont certaines populations régionales en situation de fort développement économique (=> + 50-70 % biomasse, + 45% énergie, 30% eau),
- (2) contrôler, limiter et réduire les émissions de gaz à effet de serre dans l’atmosphère pour conduire à un développement neutre au plan carbone, avec l’engagement de réduire par 4 les émissions de GES à l’horizon 2050 par rapport à 1990 (facteur 4 issu de la loi Programme d’orientation de la politique énergétique française). Neutralité Carbone en 2050.
- (3) Elaborer des produits de substitution aux synthons d’origine fossile, pour sécuriser les approvisionnements de l’industrie chimique et contrebalancer les déséquilibres d’approvisionnement créés par les gaz et huiles de roche mère,
- (4) élargir la gamme des molécules disponibles pour répondre à nos besoins de fonctionnalités et respecter les règles d’écotoxicologie.
Les défis au plan mondial
CESER d'Ile-de-France, 10 mai 2017
• (1) transition nutritionnelle au profit des sources végétales et tendre vers la souveraineté alimentaire en protéines (plus de la moitié des protéines pour animaux sont importées) , réduire la part des produits animaux à 500 kcal/jour (1200 aujourd’hui) dans une ration de 3000 kcal/jour
• (2) réduire la consommation d’énergie finale de 50% en 2050, Loi Transition Énergétique pour la Croissance Verte (LTECV) promulguée le 17 août 2015
• (3) donner de la valeur ajoutée à la biomasse produite localement (déficit ~ 6 Md€ pour les produits à base de bois, dont 2,3 pour les panneaux et la pâte)
• (4) développer une bio/agro-industrie, ce qui est un enjeu de restructuration/relocalisation/réindustrialisation
– Chimie : 90 Md€ en France dont 55% à l’exportation,
– IAA : activités liées aux grains, tubercules (taux exportation 41-45% comparativement à 19% pour l’ensemble des IAA),
– l’engagement de l’industrie chimique française d’utiliser 30% de matières premières végétales à l’horizon 2030 .
Pour la France (dans l’UE 28)
Analyse tant en scenario de croissance que de décroissance
CESER d'Ile-de-France, 10 mai 2017
Convergence avec les principes de la Chimie verte du Carbone renouvelable
12 règles (Anastas et al., 1998)
1 – Prévention ;
2 - Économie d’atomes ;
3 - Synthèses chimiques moins toxiques ;
4 - Conception de produits chimiques plus sécuritaires ;
5 - Solvants et auxiliaires plus sécuritaires ;
6 - Amélioration du rendement énergétique ;
7 - Utilisation de matières premières renouvelables ;
8 - Réduction de la quantité de produits dérivés ;
9 - Catalyse avec les procédés non stochiomètriques ;
10 - Conception de substances non persistantes ;
11 - Analyse en temps réel de la lutte contre la pollution ;
12 - Chimie essentiellement sécuritaire afin de prévenir les accidents
CESER d'Ile-de-France, 10 mai 2017
D’une chimie fondée sur le C fossile à une économie fondée sur le C renouvelable ?
Carbone
fossile
Carbone
renouvelable
Innovations
de rupture
Champs Mines,
Puits,
plateformes
Raffinerie Conversion
Ressources
végétales
Systèmes
agricoles,
Forestiers et
algaux
Bioraffineries
Biotechnologies vertes
Conversion
Glissement vers un développement neutre au plan Carbone (décarboné)
Biotechnologies
blanches
For
mul
atio
n, m
ise
en fo
rme,
…
Thermochimie
Déchets
Economie circulaire
105 produits
Fon
ctio
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bita
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spor
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gièn
d …
CESER d'Ile-de-France, 10 mai 2017
- (1) aptitude fonctionnelle
La chimie biosourcée est dans une période de transition. En 2005, la chimie du végétal est partie dans beaucoup de directions, sur la base d'hypothèses macroéconomiques qui ne sont plus toutes d'actualité. Il y a dix ans, la chimie du carbone biosourcé était vue comme une chimie à bas coût. On pensait pouvoir concurrencer des molécules de commodités en proposant des prix plus bas. Mais c'était sans compter sur la baisse du prix du pétrole. Aujourd'hui, la vision a changé. La chimie biosourcée est perçue comme une chimie qui doit valoriser les structures carbonées du vivant, végétal, animal et microbien, à partir de l’ ingénierie moléculaire qui est réalisée par le vivant. En oléochimie, les chaînes longues d'acides gras ont des propriétés que l'on utilise depuis la nuit des temps dans les savons. Le fait de développer des molécules à plus forte valeur ajoutée permet en outre de se « découpler » des variations peu synchrones des prix du pétrole ou du sucre.
- (2) disponibilité de la biomasse
- (2) durabilité environnementale
- (3) durabilité économique
- (4) appropriation d’outils biotechnologiques
- (5) développer une bio/agro-industrie, ce qui est un enjeu de restructuration/relocalisation/réindustrialisation
Les verrous
CESER d'Ile-de-France, 10 mai 2017
La compétition de sourcing pour les molécules « phare »
GDF-Suez
CESER d'Ile-de-France, 10 mai 2017
Comparaison entre le C fossile et le C renouvelable (MtC) dans le monde en 2005-7 et en 2030-2035.
• Seuls éléments partagés au niveau mondial:
– le caractère limité des ressources fossiles et minières
– La spécificité régionale des bouquets énergétiques
Sources ADEME, DGCIS, ACS, DOE, AIE
En 2005,
9.489
Energie
9.090
Chimie
399
En 2030,
Energie
9.430 –
14.285
Chimie
664 –
996
C fossile
8.451 8.090
369
(soit 9% du
pétrole, 5%
du gaz)
7.960 –
12.300 498 – 664
C biomasse
1035 1.000
30
(3% de la
biomasse
récoltée)
1.470 –
1.985
166 – 332
20 à 40% de
la chimie
Résilience des systèmes ??? Food first CESER d'Ile-de-France, 10 mai 2017
Basculement de la voie chimique vers la voie biologique, Bhopal, Seweso….
2ème acide aminé essentiel après la lysine
Méthanol
Soufre € H2S
Methyl Mercaptan
MMP Methylmer
captan-propional-
dehyde
DL-Methionine Ou
Hydroxy methyl Thio butyric acid
Propylene €€€
CH4 €€
HCN
Acroléine
NH3
SO4-- SO3
-- S--
Homocystèine L-Méthionine Aspartate Homosérine
E. Coli : Metex, Roquette, Ajinomoto, Arkema
• Méthionine 880 kt, 2013, 3-10 $/kg
Adis
seo
Durabilité environnementale
CESER d'Ile-de-France, 10 mai 2017
Durabilité environnementale : des promesses aux réalités Emissions GES du berceau au magasin pour des molécules bio- ou pétrosourcées Source: Argonne, 2014. Life-cycle analysis of bioproducts and their conventionnal counterparts in GREET.
Klebsiella pneumonia
Actinobacillus succinogenes
E. coli
Lactobacillus lactis
L. lactis
CESER d'Ile-de-France, 10 mai 2017
L’analyse de cycle de vie pour appréhender la durabilité
CESER d'Ile-de-France, 10 mai 2017
Matériaux: matrice, fibres de renforcement, additifs technologiques (plastifiants ..) Efficacité - Propriétés mécaniques - Propriétés transport (diffusion) Sélectivité - Propriétés chimiques: encapsulation d’huiles essentielles - Recyclage – dégradabilité – usage en cascade Efficience technologique: coûts fabrication, collecte, Ecocompatibilité: homme et environnement en général Politique : simplification des formulations, allègement des objets Emballages: domaine particulier en raison des liens avec les messages (marketing) associés
Les matériaux biosourcés
CESER d'Ile-de-France, 10 mai 2017
Source carbone fossile Biodégradable PCaprolactone, PVinylalcool, Pbutylene succinate PBS, P glycolic acid PGA
Sources carbone renouvelable Biodégradable Bois, coton, dérivés de la cellulose (papier), Dextrans, pullulans, PLA, Phydroxyalkanoates PHA, Amidons thermoplastiques Lipides: polyuréthanes
Source : carbone fossile Non biodegradable PP, PET, PVC
Sources carbone renouvelable Non biodegradable PP, PE, PET, PVC
Les matériaux biosourcés
Vigilance: - Importance de la propriété intellectuelle
CESER d'Ile-de-France, 10 mai 2017
Le C renouvelable est-il forcément meilleur ?
Le mode de vie actuel avec du C fossile ne l’est pas !
Les allégations de neutralité donnent lieu à des controverses
Reduce, recycle, reuse, new sourcings
Produits durables Aucun arbitrage sociétal
Réglementation et labellisation
Produits périssables Problématique de flux
Arbitrage utilité / impact
Enjeux de biodégradabilité
Durabilité environnementale
(ACV, …)
forte
faible
Durée de vie
Longue courte
Carbone
renouvelable Travailler sur l’impact
environnemental en
fabrication et
utilisation
Travailler sur l’impact
environnemental en
utilisation et fin de vie Produits non
durables
Reach
Substituer ou
supprimer
Produits d’investissement Problématique de stock
Remise en cause de l’obsolescence
programmée ? Carbone
fossile
CESER d'Ile-de-France, 10 mai 2017
Sols
CO2
Recyclage papier
Usages en cascade Ecologie agro-industrielle (Matière, énergie, distance, taille des activités et l’organisation des acteurs
Recyclage des atomes, Bouclage des cycles si une injection d’énergie a lieu
Méthanisation
Bioraffinerie Fractionnement Interconversion biotech. S-L-P
Molécules plateformes (réactivité), produits alimentaires intermédiaires
N, P, K
Production - Diversité des ressources végétales - Aucune biomasse n’est strictement alimentaire
déchets
Passage des filières à la bioéconomie circulaire ( ! découplage)
Formulation - Substitution des ingrédients: sucres, lipides, protéines a-v, fibres
Couplage de filières - biodiesel-prod.animales, amidon-panification
Reuse, share
CESER d'Ile-de-France, 10 mai 2017
Définition (2012, UE28)
• … une économie fondée sur la production de ressources biologiques renouvelables (la biomasse ) et sa conversion en aliments pour l’homme et les animaux, les produits biosourcés et les bioénergies. Ce domaine recouvre l’agriculture, la foresterie, la papeterie, ainsi que les industries chimiques biosourcées, les biotechnologies et les industries de l’énergie.
Biotechnologie: Plantes, Animaux, Microbes, Sols, Biodiversité, CO2,spécificité
Système: chaînes de valeur, réseaux, biens publics, efficience Substitution, interconversion, couplage
Attentes et besoins: robustesse, pilier environnemental
Croissance vs décroissance Biologisation des procédés Ecologisation des systèmes
CESER d'Ile-de-France, 10 mai 2017
Les perspectives au delà de la décroissance
Le Carbone Renouvelable sera une partie de la solution de durabilité
Passage de l’agriculture-agro-industrie à la bioéconomie 3A:
available: nombreuses solutions en extension avec des ligneux, les déchets organiques les micro-algues achievable : solutions avec des plantes de grande culture, des sous-produits et des ligneux, en système de culture affordable: verrou actuel. Internaliser les effets adverses (BAU)
Innover Investir dans les biotechnologies vertes et blanches pour des innovations de ruptures technologiques. Garder une capacité d'analyse critique des innovations, au niveau des allégations de neutralité Comportement des consommateurs-préférences-intégration bigdata-consommation numérique Maîtriser le risque Expliciter les objectifs et les critères : souveraineté alimentaire, recyclage du carbone, indépendance énergétique, valeur ajoutée … => Scénarisation des sociétés urbaines Associer recherche - secteurs professionnels - société civile dont ONGs. Evaluer le scenario BAU Rester compétitif Revisiter les systèmes avec l’éco-conception de systèmes de production/transformation dédiés, pour tendre vers une économie circulaire/bioéconomie, aux dépens de la logique de substitution. Penser "système" : process - plantes - systèmes de production - organisation des acteurs - effets externes avec un rôle central de la bioraffinerie. Former sur une triple compétence biotechnologies – chimie –génie des procédés. CESER d'Ile-de-France, 10 mai 2017