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Atelier de Rflexion Prospective VegA

Quels VEGtaux et systmes de production durAbles pour satisfaire les

besoins en bionergies, synthons et matriaux biosourcs ?

Synthse Gnrale

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Editeurs Attention chacun doit avoir valid le document Paul COLONNA Directeur Scientifique Adjoint Alimentation et Bioconomie INRA, UAR 0233 CODIR Collge de Direction 147 rue de lUniversit, 75338 Paris cedex 07 Agns KAMMOUN INRA Rue de la Graudire BP 71627, 44316 Nantes cedex 03 Xavier MONTAGNE IFPEN Direction scientifique 1 et 4 avenue du Bois Prau - BP 311 92852 Rueil-Malmaison Cedex, France Christian SALES CIRAD Avenue Agropolis, 34398 Montpellier Cedex 5 Avec la contribution de Patricia Lefer pour la mise en page de ce document. Pour citer ce document COLONNA P., KAMMOUN A., MONTAGNE X., SALES C. (Editeurs). 2013 . Quels VEGtaux et systmes de production durAbles pour satisfaire les besoins en bionergie, synthons et matriaux biosourcs ? Rapport CIRAD IFPEN INRA (France), ?? p. N ISBN ?? Le rapport est disponible en ligne sur le site de lINRA : http://www.inra.fr/??? sur le site de lIFPen ??? sur le site du CIRAD ???

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SOMMAIRE

Introduction 9 Contributeurs 9 1. Rsum 12 2. Objectifs 13 3. Expression des besoins 19 3.1. Attentes et besoins en nergie, synthons et en matriaux biosourcs 19 3.1.1. Energies 20 3.1.1.1. Combustibles 21 3.1.1.2. Biocarburants 23 3.1.1.2.1. Transformation en gaz de synthse 23 3.1.1.2.2. Le traitement du gaz de synthse 24 3.1.2. Chimie et synthons 27 3.1.3. Matriaux 30 3.1.3.1. Les polymres 31 3.1.3.2. Le bois et ses drivs 34 3.1.4. Solvants 36 3.1.5. Tensioactifs 37 3.1.6. Lubrifiants 39 3.1.7. Besoins globaux 41 3.2. Principales familles biochimiques rpondant ces besoins 42 3.2.1. Amliorer la processabilit de la biomasse 45 3.2.2. Approche structurale 46 3.2.2.1. Aptitude la dconstruction 47 3.2.2.2. Htrognit et variabilit 48 3.2.3. Approche par correspondance fonctionnelle 48 3.2.3.1. Les lignocelluloses 48 3.2.3.2. Lamidon 54 3.2.3.3. Les lipides 56 3.2.3.4. Les protines 59 3.2.3.5. Oses et oligosaccharides 62 3.2.3.6. Le caoutchouc 64 3.2.3.7. Les mtabolites secondaires ou microconstituants 65 3.2.4. Place des biotechnologies blanches 70 3.2.4.1. Gnie enzymatique 71 3.2.4.2. Les bioconversions 73 3.2.4.2.1. Approche rationnelle du gnie mtabolique 75 3.2.4.2.2. Approche combinatoire : gnie mtabolique inverse 77 3.2.5. Production dhydrogne 79 3.3. Conclusions 81 4. Exploration de la diversit des solutions vgtales 81 4.1. Identification des vgtaux o ces structures sont prsentes 82 4.1.1. Considrations gnrales 82

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4.1.2. Spcificits qualitatives 83 4.1.2.1. Particularits des sources de lignocelluloses 83 4.1.2.2. Particularits des sources de lipides 84 4.1.2.3. Particularits des ressources algales 86 4.1.2.4. Identification des solutions vgtales 88 4.2. Optimisation des espces dj exploites 88 4.2.1. Considrations gnrales 88 4.2.2. Les crales 91 4.2.3. Les olagineux 96 4.2.4. La sylviculture 105 4.2.5. Lgumineuses protagineuses et fourragres 107 4.2.6. Tubercules et racines 110 4.2.7. Plantes fibres 111 4.3. Utilisation despces vgtales encore inexploites 112 4.3.1. Les algues marines 112 4.3.1.1. Macroalgues marines 115 4.3.1.1.1. Phophyces (algues brunes) 116 4.3.1.1.2. Algues rouges (Rhodoplantae) 118 4.3.1.1.3. Algues vertes 120 4.3.1.2. Microalgues marines 123 4.3.1.2.1. Les algues vertes 126 4.3.1.2.2. Les haptophytes 128 4.3.1.3. Les dinoflagells 129 4.3.1.4. Les diatomes 129 4.3.1.5. Rhodoplantae 131 4.3.1.6. Cyanobactries 131 4.3.1.7. Phanrogames marines (plantes fleurs) 133 4.3.2. Plantes 134 4.3.2.1. Jatropha cursas L. 135 4.3.2.2. Jojoba (Simmondsia chinensis) 139 4.3.2.3. Genre Cuphea 139 4.3.2.4. Crambe (Crambe abyssinica) 140 4.3.2.5. Le Miscanthus et le switchgrass (Panicum virgatum) 142 4.3.2.6. Remplacement de lhva 146 4.3.3. Phytoremdiation : les phytotechnologies 148 4.3.3.1. Phytoremdiation des contaminants organiques 148 4.3.3.2. Phytoremdiation des contaminants mtalliques : phytostabilisation et phytoextraction 149 4.4. Stratgies damlioration gntique 153 4.4.1. Questions spcifiques au mtabolisme primaire 156 4.4.1.1. Plantes amliores pour la production de biopolymres 156 4.4.1.1.1. Lamidon 156 4.4.1.1.2. Les protines 157 4.4.1.1.3. Les parois vgtales 159 4.4.1.2. Plantes amliores pour la production de lipides 164 4.4.1.2.1. Cible biocarburants 164 4.4.1.2.2. Cible acides gras exotiques 165 4.4.3. Questions spcifiques au mtabolisme secondaire 169 4.4.4. Questions spcifiques aux aptitudes technologiques 170 4.4.5. Questions spcifiques au dveloppement de nouvelles fonctionnalits 170 4.4.5.1. Production de polymres htrologues 170 4.4.5.2. Production dnergie lumineuse 171 4.4.6. Rsolution de questions gnriques 172

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4.4.7. La transgnse comme stratgie pour acclrer la domestication des espces sauvages 174 4.4.8. La transgnse comme stratgie pour autoriser ou acclrer lacclimatation despces tropicales 175 4.4.9. Conclusions 177 5. Conception, valuation et mise en perspective de systmes de production durables 178 5.1. Etat des lieux des systmes considrs et des connaissances associes 179 5.1.1. Utilisation/dveloppement de systmes de productions dalgues 180 5.1.1.1. Etat de lart des spcificits de la filire 180 5.1.2. Mobilisation de biomasse partir de forts naturelles 184 5.1.2.1. Premier axe : connaissances et mthodes pour valuer des systmes de culture durables 184 5.1.2.2. Second axe : connaissances et mthodes pour raisonner le positionnement des cultures dans les exploitations et les territoires

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5.1.3. Taillis courte rotation 187 5.1.4. Miscanthus/Switchgrass 192 5.1.4.1. Etat de lart 192 5.1.5. Le jatropha 199 5.1.5.1. Etat de lart 199 5.1.6. La canne-nergie 203 5.1.7. La luzerne 205 5.1.7.1. Etat de lart 205 5.1.8. Le triticale 211 5.1.9. Le sorgho 216 5.1.9.1. Etat de lart 216 5.1.10. Exemple de culture nergtique annuelle : le colza 220 5.1.10.1. Etat de lart 20 5.1.11. Association lgumineuses et crales 232 5.2. Questions transversales 236 5.2.1. Conception et valuation des systmes de production 236 5.2.2. Cultures nergtiques, territoires et biodiversit 238 5.2.3. Domestication versus OGM 240 5.3. Pistes de recherche 240 5.3.1. Quelles connaissances et mthodes sont ncessaires pour concevoir et valuer des systmes de culture durables et adapts aux conditions locales de production en intgrant de multiples exigences diffrentes chelles temporelles ?

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5.3.1.1. Adquation entre cultures de biomasse et conditions de milieu 241 5.3.1.2. Changements dusages des parcelles et des cultures 242 5.3.1.3. Amlioration de lefficience dutilisation des ressources naturelles (eau, sols, nergie lumineuse) et des intrants externes fossiles

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5.3.1.4. Evaluation de la durabilit des systmes de culture 244 5.3.2. Quelles connaissances et mthodes pour raisonner le positionnement des cultures dansles exploitations et les territoires et en valuer les impacts multiples

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5.3.2.1. Analyse des dterminants de lusage des terres 245 5.3.2.2. Quelles mthodes dvaluation spatio-temporelle des modes de gestion multicritres de ces nouvelles cultures ? Quelle chelle pour une analyse pertinente du territoire ?

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5.3.2.3. Quel potentiel dans les zones marginales pour les cultures vocation non alimentaire 247 5.3.2.4. Comment raisonner le choix des espces et gnotypes introduire dans un environnement donn vis--vis des ressources naturelles et flux de gnes et dinteractions biotiques (pathognes, prdateurs, auxiliaires) et leur insertion spatiale ?

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5.3.2.5. Quelles sont les conditions requises au niveau de lexploitation agricole ou de la ferme aquacole et de la filire pour favoriser linsertion de ces nouvelles cultures ?

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5.4. La bioraffinerie 249

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5.4.1. Notions gnrales 249 5.4.1.1. Dfinition et frontires de la bioraffinerie 249 5.4.1.2. Autres dfinitions de la bioraffinerie 250 5.4.1.3. Caractristiques lies la matire premire biologique 251 5.4.1.4. Complexit des voies de valorisation possibles 252 5.4.2. Les oprations unitaires de la bioraffinerie et leurs contraintes 255 5.4.2.1. Gnralits 255 5.4.2.2. Dconstruction / fractionnement de la biomasse 256 5.4.2.2.1. Etat de lart Procd voie sche et voie humide 257 5.4.2.2.2. Etat de lart Transformation en gaz de synthse 262 5.4.2.2.3. Principaux verrous identifis 264 5.4.2.3. Sparation et extraction des molcules dintrt 266 5.4.2.3.1. Etat de lart 266 5.4.2.3.2. Principaux verrous identifis 268 5.4.2.4. Maintien ou obtention des proprits fonctionnelles 270 5.4.2.4.1. Etat de lart 270 5.4.2.4.2. Princiaux verrous identifis 273 5.4.3. Production, rcolte, stockage, transport des matires premires vgtales contraintes et opportunits

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5.4.3.1. Gnralits 276 5.4.3.2. Etat de lart 276 5.4.3.2.1. Production 276 5.4.3.2.2. Aptitude de la biomasse la bioraffinerie 277 5.4.3.2.3. Rcolte, transport et stockage 278 5.4.3.2.4. Organisation de la chane logistique 279 5.4.3.3. Principaux verrous identifis 281 5.4.3.3.1. Amliorer la processabilit de la biomasse 281 5.4.3.3.2. Assurer la stabilit des approvisionnements des bioraffineries 281 5.4.3.3.3. Rduire la variabilit de la biomasse 282 5.4.3.3.4. Fonder des systmes de production-transformation durables 283 5.4.4. La gestion de la complexit 286 5.4.4.1. Complexit de la conception 286 5.4.4.1.1. Etat de lart 286 5.4.4.1.2. Principaux verrous identifis 288 5.4.4.2. Complexit du fonctionnement 291 5.4.4.2.1. Principaux verrous identifis 291 5.4.5. Conclusions 293 5.5. Analyses socio-conomiques : des systmes de production aux marchs internationaux 293 5.5.1. La polyvalence conomique des filires produits biosourcs : pistes de recherche 294 5.5.1.1. Elments de problmatique 295 5.5.1.2. Elments de rflexion 296 5.5.2. Outils et mthodes 301 5.5.2.1. Elments de problmatique 301 5.5.2.2. Les conventions sur les mthodes dvaluation, critres conomiques, sociaux et thiques : faisabilit, durabilit

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5.5.2.3. Quantification et caractrisation de la demande en produits biosourcs et valuation des implicaitons

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5.5.3. Dimension structurante de la ressource, de son mode de gestion et dapprovisionnement sur lorganisation de la filire

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5.5.3.1. Acteurs de lapprovisionnement : quels sont les dterminants de ladoption de nouvelles pratiques ? 304 5.5.3.2. Organisation de lapprovisionnement et articulation des temporalits 306 5.5.4. La dimension structurante des modalits du bioraffinage sur lorganisation de la filire (bassin dapprovisionnement et amnagement rgional)

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5.5.4.1. Elments de problmatique 307

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5.5.4.2. Reconversion dunits industrielles existantes (comme la filire papeterie) en bioraffineries 308 5.5.4.3. Reconversion dunits industrielles existantes (hors produits biosourcs) en bioraffineries 309 5.5.4.4. Cration dune bioraffinerie 310 5.5.5. Quel est le rle des acteurs dans lmergence et le maintien des filires produits biosourcs durables et renouvelables ?

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5.5.5.1. Elments de problmatique 311 5.5.5.2. Les acteurs et les interactions 311 5.5.5.3. Amnagement du territoire : dynamiques dacceptabilit sociale et environnementale 313 5.5.5.4. Conditions dacceptabilit des OGM pour les filires produits biosourcs 317 5.5.6. Conclusions : synthse des pistes de recherche 325 5.6. Analyses de cycles de vie et de bilans environnementaux 326 5.6.1. Dfinition des approches possibles pour lvaluation environnementale 328 5.6.2. Disponibilit et qualit des donnes 329 5.6.2.1. Typologie des donnes disponibles 329 5.6.2.2. Calcules dincertitudes 330 5.6.3. Amlioration des mthodes dvaluation des impacts locaux en relation avec le milieu 332 5.6.3.1. Biodiversit 333 5.6.3.2. Acidification 334 5.6.3.3. Toxicit humaine / cotoxicit 334 5.6.3.4. Mobilisation et altration des ressources naturelles 335 5.6.3.5. Usage des sols 336 5.6.4. Amlioration de lvaluation de limpact des produits dorigine vgtale sur le changement climatique 339 5.6.5. Prise en compte des effets dynamiques 340 5.6.5.1. Prise en compte du carbone contenu dans la biomasse / stockage et dstockage du carbone (sols, peuplements, produits du bois et leur fin de vie, recyclages)

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5.6.5.2. Effets dynamiques sur les inventaires 340 5.6.5.3. Effets dynamiques dans les impacts 343 5.6.6. Aspects mthologiques transverses 344 5.6.6.1. Allocation des impacts entre coproduits 344 5.6.6.2. Impacts positifs 346 5.6.6.3. Frontires des systmes 346 5.6.6.4. Unit fonctionnelle 350 5.6.6.5. Evolution des impacts globaux 351 5.6.6.6. Evaluation multicritre 351 5.7. Etude prospective sur les usages non alimentaires de la biomasse vgtale : les scnarios dvolution 2050

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5.7.1. Cadre danalyse et mthode de ltude prospective 352 5.7.1.1. Dmarche gnrale et cadre danalyse 352 5.7.1.2. Elments de mthode 352 5.7.1.3. Lillustration des scnarios par des ordres de grandeur : une confrontation des rsultats de prospectives sur lnergie et lalimentation

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5.7.1.4. Les hypothses par composante 354 5.7.1.4.1. Composante 1 : ressources nergtiques et en carbone en 2050 354 5.7.1.4.2. Composante 2 : attentes des citoyens et des consommateurs vis--vis des produits biosourcs 357 5.7.1.4.3. Composante 3 : filires produits biosourcs et innovations 360 5.7.1.4.4. Composante 4 : gouvernance mondiale et politiques publiques 363 5.7.1.4.5. Composante 5 : croissance et dveloppement 367 5.7.2. Les quatre scnarios dvolution possible des usages non alimentaires de la biomasse vgtale lhorizon 2050

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5.7.2.1. Les hypothses par composante 370 5.7.2.2. Rcit des scnarios dvolution des usages non alimentaires de la biomasse 2050 371 5.7.2.2.1. Scnario 1 : fuite en avant sur lnergie et lenvironnement, des usages de la biomasse limits 371 5.7.2.2.2. Scnario 2 : la biomasse dans la no-modernisation verte 374

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5.7.2.2.3. Scnario 3 : course la biomasse, dans un contexte de crise nergtique 377 5.7.2.2.4. Scnario 4 : des territoires mtropolitains et ruraux qui mobilisent la biomasse pour une diversit dusages

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5.7.3. Implication des scnarios sur loccupation du sol 382 5.7.3.1. Objectifs et dmarche 382 5.7.3.2. Principe, hypothses et rsultat des simulations 383 5.7.3.3. Interprtations 386 5.7.3.4. Quels enseignements plus spcifiques des scnarios 390 5.7.4. Conclusions 394 6. Conclusions 397 7. Lexique

ANNEXES 397

Annexe 1 : organisation de lARP Vega

Annexe 2 : les organismes coordonnateurs

Annexe 3 : pistes de recherche par filire analyse

Annexe 4 : Modalits de classification des varits de luzerne

Annexe 5 : volution des surfaces de triticale en France et principales zones de production

Annexe 6 : aire de production du sorgho

Annexe 7 : prsentation du projet Sweetfuel

Annexe 8 : glossaire

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Introduction Ce document est le fruit dun travail collectif, ralis dans le cadre de lAtelier de Rflexion Prospective Quels VEGtaux et systmes de production durAbles pour satisfaire les besoins en bionergie, synthons et matriaux biosourcs ? Les participants ont rdig 13 documents de synthse ou livrables, correspondants aux diffrents groupes de travail, mis en place dans lARP VegA. Chaque groupe de travail a eu pour objectif de cerner ltat des connaissances et identifier des pistes de recherche : il a travaill avec des frontires poreuses pour ne pas contraindre les rflexions, aux dpens de problmatiques parfois difficilement attribuables un seul groupe. Une synthse a t tablie, partir de ces 13 documents de travail, avec un regroupement en trois chapitres principaux : Le premier chapitre identifie les attentes et les besoins en nergies, synthons et matriaux biosourcs, comparativement aux usages actuels du carbone fossile, Le deuxime explore la diversit des solutions vgtales susceptibles de rpondre qualitativement ces besoins, Le troisime aborde la conception, lvaluation et la mise en pespective de systmes de production durables, fondes sur ces solutions vgtales et rpondant aux attentes et besoins du premier chapitre. Contributeurs Chapitre 1 : Attentes et besoins en nergie, synthons et en matriaux biosourcs Paul Colonna (INRA, coordinateur ARP VegA), Agns Kammoun (INRA, animatrice ARP VegA), Xavier Montagne (IFP, coordinateur du sous-atelier A, animateur de la tche 1), Yves Barbin (Pierre Fabre), Denis Bellenot (ITEIPMAI), Lonard Boniface (ADEME), Marie-Elisabeth Borredon (ENSIACET), Sylvain Caillol (CNRS), Hlne Carrre (INRA), Denilson Da Silva Perez (FCBA), Bruno Delfort (IFP), Lisa Gauvrit (INRA), Alexandrine Guillez (BASF), Bernard Mompon (Archimex), Zphirin Mouloungui (ENSIACET), Olivier Mora (INRA), Brigitte Ohl (Schneider Electric), Virginie Pevere (Rhodia), Michel Philippe (LOral), Jean-Franois Rous (Sofiproteol) Chapitre 2 : Principales familles biochimiques rpondant ces besoins Marie-Elisabeth Borredon (ENSIACET), Jean-Paul Cadoret (IFREMER), Claudine Campa (IRD), Paul Colonna (INRA, coordinateur ARP Veg, animateur de la tche 2), Denilson da Silva Perez (FCBA), Eric Gontier (Universit Amiens), Jacques Guguen (INRA), Herman Hfte (INRA), Lise Jouanin (INRA), Bernard Kurek (INRA), Catherine Lapierre (AgroParisTech), Ren Lessire (CNRS), Philippe Marion (Rhodia), Bernard Mompon (Archimex), Xavier Montagne (IFP, coordinateur du sous-atelier A), Zphirin Mouloungui (ENSIACET), Patrick Perre (AgroParisTech), Gilles Pilate (INRA), Daniel Pioch (CIRAD) Chapitre 3 : Choix de lorigine biologique : biomasse vgtale et/ou biomasse microbienne Paul Colonna (INRA, coordinateur ARP VegA), Agns Kammoun (INRA, animatrice ARP VegA), Xavier Montagne (IFP, coordinateur du sous-atelier A), Daniel Thomas (UTC, animateur de la tche 3), Jean-Charles Delebecque (Agence Rgionale dInnovation Picardie), Jean-Philippe Delgenes (INRA), Patrick Durand (IFREMER), Lisa Gauvrit (INRA), Jean-Jacques Godon (INRA), Grard Goma (INSA Toulouse, animateur de la tche 4), Ren Lessire (CNRS), Rmy Marchal (IFP), Richard Martin (LOral), Stphane Octave (UTC), Jean-Louis Prioul (Universit Paris-Sud 11), Denilson da Silva Perez (FCBA) Chapitre 4 : Identification des besoins en carbone et en azote pour les bioconversions

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Paul Colonna (INRA, coordinateur ARP VegA), Agns Kammoun (INRA, animatrice ARP VegA), Xavier Montagne (IFP, coordinateur du sous-atelier A), Grard Goma (INSA Toulouse, animateur de la tche 4), Jean-Philippe Delgenes (INRA), Jean-Jacques Godon (INRA), Dominique Grizeau (CNAM), Jacques Guguen (INRA), Stphane Guillouet (INSA Toulouse), Bernard Kurek (INRA), Ren Lessire (CNRS), Nicolas Lindley (CNRS), Carole Molina-Jouve (INSA Toulouse), Jean-Franois Morot-Gaudry (INRA), Stphane Octave (UTC), Michael ODonohue (INRA), Jean-Charles Portais (INSA Toulouse), Magali Remaud-Simeon (INSA Toulouse), Jean-Louis Uribelarrea (INSA Toulouse) Chapitre 5 : Identification des vgtaux o des structures intrssantes sont prsentes Paul Colonna (INRA, coordinateur ARP VegA), Agns Kammoun (INRA, animatrice ARP VegA), Xavier Montagne (IFP, coordinateur du sous-atelier A), Jean-Franois Morot-Gaudry (INRA, animateur de la tche 5), Monique Axelos (INRA), Marie-Elisabeth Borredon (ENSIACET), Lesya Baudoin (INRA), Thierry Chardot (INRA), Laurent Cournac (CEA), Michel Delseny (CNRS), Giovanni Finazzi (CNRS), Jacques Gueguen (INRA), Marie-Andre Hartmann (CNRS), William Helbert (CNRS), Lise Jouanin (INRA), Bernard Kurek (INRA), Ren Lessire (CNRS), Zephirin Mouloungui (ENSIACET), Georges Pelletier (INRA), Gilles Peltier (CEA), Jean-Claude Pernollet (INRA), Yves Popineau (INRA), Brigitte Thomasset (UTC) Chapitre 6 : Optimisation des productions vgtales existantes Paul Colonna (INRA, coordinateur ARP VegA), Agns Kammoun (INRA, animatrice ARP VegA), Georges Pelletier (INRA, coordinateur du sous-atelier B), Yves Barrire (INRA, animateur de la tche 6), Michel Delseny (CNRS, animateur de la tche 6), Jol Abecassis (INRA), Bruno Bachelier (CIRAD), Dominique Boutin (CIRAD), Catherine Boyen (CNRS), Serge Braconnier (CIRAD), Brigitte Chabbert (INRA), Jacques Chantereau (CIRAD), Guillaume Chantre (FCBA), Anglique DHont (CIRAD), Grard Duc (INRA), Jean-Louis Durand (INRA), Tristan Durand-Gasselin (CIRAD), Thierry Fourcaud (CIRAD), Pascal Frey (INRA), Georges Freyssinet (Limagrain), Lisa Gauvrit (INRA), Eric Giraud (IRD), Rgis Goebel (CIRAD), Alain Gojon (INRA), Jean-Yves Hoarau (CIRAD), Marc Lacape (CIRAD), Gisle Laguerre (INRA), Thierry Langin (Universit Paris-Sud 11), Catherine Lapierre (AgroParisTech), Sylvain Marsac (Arvalis), Jean-Franois Morot-Gaudry (INRA), Nathalie Munier-Jolain (INRA), Laurent Nussaume (CEA), Loc Pags (INRA), Sylvain Pellerin (INRA), Gilles Pilate (INRA), Christophe Plomion (INRA), David Pot (CIRAD), Jean-Franois Rami (CIRAD), Michel Renard (INRA), Herv Rey (CIRAD), Thierry Tran (CIRAD), James Tregear (IRD), Gilles Trouche (CIRAD), Patrick Vincourt (INRA) Chapitre 7 : Exploration de la diversit naturelle des espces vgtales, non valorises ce jour Pierre Berthomieu (SupAgro), Catherine Boyen (CNRS, animateur de la tche 7), Chris Bowler (CNRS), Stphane Cadoux (INRA), Jean-Paul Cadoret (IFREMER), Claudine Campa (IRD), Michel Chauvet (Agropolis), Paul Colonna (INRA, coordinateur ARP VegA), Laurent Cournac (CEA), Alexandre De Kochko (IRD), Bruno de Reviers (MNHN), Patrick Durand (IFREMER), Fabien Ferchaud (INRA), Bernard Genty (CEA), Brigitte Gontero-Meunier (CNRS), Jacques Joyard (CNRS), Michel Lebrun (IRD), Yannick Lerat (CEVA), Ren Lessire (CNRS), Bernard Mompon (Archimex), Herv Moreau (CNRS), Fabrice Not (CNRS), Georges Pelletier (INRA, coordinateur du sous-atelier B), Gilles Peltier (CEA), Roland Pirot (CIRAD), Ian Probert (CNRS), Jean-Franois Sassi (CEVA), Jean Tayeb (INRA), Francis-Andr Wollman (CNRS). Chapitre 8 : Faisabilit de la transformation gntique des vgtaux pour rpondre des besoins en nergie, synthons et matriaux biosourcs Jol Abecassis (INRA), Hlne Barbier-Brygoo (CNRS), Pierre Barret (INRA), Michel Caboche (INRA), Paul Colonna (INRA, coordinateur ARP VegA), Annabelle Dejardin (INRA), Michel Delseny (CNRS), Jean-Denis Faure (INRA), Georges Freyssinet (Limagrain), Alain Gojon (INRA), Jacques

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Gueguen (INRA), Philippe Guerche (INRA), Simon Hawkins (Universit de Lille 1), Herman Hfte (INRA), Lise Jouanin (CNRS), Fabien Nogu (INRA), Laurent Nussaume (CEA), Georges Pelletier (INRA, coordinateur du sous-atelier B, animateur de la tche 8), Gilles Pilate (INRA), Michel Renard (INRA), Benoit St-Pierre (Universit de Tours), Jean Tayeb (INRA), Evelyne Toul (INRA), Brigitte Thomasset (UTC), Jean-Franois Trontin (FCBA) Chapitre 9 : Les bioraffineries Jol Abacessis (INRA, animateur de la tche 9), Violaine Athes-Dufour (AgroParisTech), Jean-Luc Baret (Soufflet), Stphanie Baumberger (AgroParisTech), Lonard Boniface (ADEME), Hlne Carrre (INRA), Thierry Chardot (INRA), Jean-Luc Duplan (IFP), Jacques Evrard (CETIOM), Edouard Freund (Procethol-2G), Yvon Le Henaff (ARD), Yannick Lerat (CEVA), Jean-Philippe Leygue (Arvalis), Christophe Luguel (Ple IAR), Valrie Mechin (INRA), Jean-Marc Meynard (INRA), Jean-Franois Morot-Gaudry (INRA), Georges Pelletier (INRA, coordinateur du sous-atelier B), Patrick Perre (AgroParisTech), Daniel Pioch (CIRAD), Caroline Remond (Universit de Reims), Luc Rigal (ENSIACET), Xavier Rouau (INRA), Christian Sales (CIRAD, coordinateur du sous-atelier C), Thierry Stadler (Ple IAR), Jean Tayeb (INRA, animateur de la tche 9). Chapitre 10 : conception de systmes de culture et de systmes de production Alain Bailly (FCBA), Marc Benoit (INRA), Alain Berthelot (FCBA), Olivier Bertrand (FBE), Stphane Cadoux (INRA), Guillaume Chantre (FCBA), Jean-Baptiste Coulon (INRA), Bruno de Reviers (MNHN), Bertrand Debret (BASF Agro SAS), Patrick Dion (CEVA), Fabien Ferchaud (INRA), Florence Jacquet (INRA), Marie-Hlne Jeuffroy, (INRA), Eric Justes (INRA), Marianne Le Bail (AgroParisTech), Franois Lecompte (INRA), C. Lesur (AgroParisTech), Chantal Loyce (AgroPArisTech), Nicolas Marron (INRA), ), Jean-Marc Meynard (INRA), Antoine Messan (INRA, animateur de la tche 10), Jean-Franois Morot-Gaudry (INRA), Nicolas Nguyen-The (FCBA), Etienne Pilorge (CETIOM), Roland Pirot (CIRAD), Philippe Potin (CNRS), Michel Renard (INRA), Christian Sales (CIRAD, coordinateur du sous-atelier C), Christian Valentin (IRD), Jacques Wery (INRA) Chapitre 11 : Analyses de cycles de vie et de bilans environnementaux Claudine Basset-Mens (CIRAD), Jean-Franois Bonnet (Universit de Bordeaux), Frdrique Bouvart (IFP), Michel Cariolle (ITB), Claire Cornillier (FCBA), Fabien Ferchaud (INRA), Benoit Gabrielle (AgroParisTech), Bruno Gagnepain (Ademe), Cline Gomes (UCFF), Arnaud Helias (SupAgro), Vanessa Jury (ENITIAA), Laurent Lardon (INRA), Afsaneh Lellahi (Arvalis), Jol Lonard (INRA), Stphane Lepochat (Evea Conseil), Mireille Montrjaud-Vignoles (ENSIACET), Etienne Poitrat (Ademe), Anne Prieur (IFP, animateur de la tche 11), Nicolas Robert (INRA), Patrick Rousseaux (Universit de Poitiers), Caroline Sablayrolles (ENSIACET), Guy-Nol Sauvion (Rhodia), Thomas Senac (Roquette) Chapitre 12 : Analyses socio-conomiques Marie-Claude Belis-Bergouignan (Universit Bordeaux 4), Sylvie Bonny (INRA), Robin Bourgeois (CIRAD), Sylvie Ferrari (Universit Bordeaux 4), Nathalie Gaussier (Universit Bordeaux 4), Jacques Hubert (Coop de France), Claude Jannot (CIRAD), Caroline Lejars (CIRAD, animateur de la tche 12), Elisabeth Le Net (FCBA), Daphn Lorne (IFP), Jean-Jacques Malfait (Universit Bordeaux 4), Christian Sales (CIRAD, coordinateur du sous-atelier C), Sbastien Treyer ( AgroParisTech) Chapitre 13 : Prospective Marc Barbier (INRA), Michel Benoit-Cattin (CIRAD), Paul Colonna (INRA), Catherine Esnouf (INRA), Lisa Gauvrit (INRA), Agns Kammoun (INRA), Valrie Mazza (Limagrain), Antoine Mssean (INRA), Olivier Mora (INRA, animateur de la tche 13), Sandrine Paillard (INRA)

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1. Rsum A finaliser en une/deux pages

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2. Objectifs Depuis leur mergence, les socits humaines transforment des matires vgtales et animales (biomasse) pour salimenter, se vtir, se loger, produire de lnergie, sclairer, se chauffer et faire scher, ou encore travailler les mtaux. Actuellement, pour prs de la moiti de lhumanit, la biomasse reprsente au moins un tiers de lnergie primaire totale consomme1. Depuis le dbut du XVIIIme sicle, les molcules obtenues partir de la biomasse ont t pour une trs large part remplaces par celles issues de la carbochimie puis de la ptrochimie. Cette volution a repos fondamentalement sur lexploitation minire dun carbone dorigine fossile (ptrole, gaz naturel, charbon). Au cours des dernires annes, le domaine de la valorisation non alimentaire des produits agricoles (VANA), tel quil tait encore dfini dans les annes 1990, a fortement volu vers celui de lutilisation de la biomasse et de la conception de nouveaux systmes de production ddis des finalits nergtiques, chimiques ou de production de nouveaux matriaux. Ce vritable changement de point de vue, qui peut certes tre peru comme un retour en arrire, a lieu dans un contexte radicalement diffrent aux plans technologique et scientifique, social et conomique, et aussi environnemental. La substitution du carbone fossile par du carbone renouvelable est motive en particulier par trois enjeux majeurs : (i) contrler, limiter et rduire les missions de gaz effet de serre dans latmosphre pour conduire un dveloppement neutre au plan carbone2 ; (ii) laborer des produits de substitution aux hydrocarbures fossiles (et leurs drivs) dont les rserves, pour un cot donn, seront de plus en plus rares ; (iii) dvelopper une bio-agro-industrie, avec lmergence et lorganisation de nouvelles filires et amliorer l'indpendance nergtique. Pour rpondre ces dfis, la biomasse vgtale prsente un certain nombre datouts : (i) parmi les diffrentes formes de stockage de lnergie solaire, la biomasse issue des vgtaux reprsente le potentiel le plus important, le plus ubiquiste tant au niveau plantaire quau niveau des diffrents pays et rgions ; (ii) son utilisation permettrait de rduire les missions de gaz effet de serre ; (iii) la biomasse permettrait daccder des proprits nouvelles, par rapport aux produits ptro-sourcs : matriaux prsentant des proprits dhyperhydrophobie (effet lotus), matriaux ayant une bonne tenue thermique, disponibilit de molcules chirales pour toutes les applications en chimie fine, biodgradabilit accrue par la prsence dlments structuraux reconnaissables par les enzymes et micro-organismes des milieux naturels. Cette perspective sinscrit aussi dans le cadre du dveloppement de la chimie verte 3,4,5. Ds 1991, l'EPA (lAgence Amricaine pour la Protection de l'Environnement) a lanc la premire initiative de recherche en chimie verte dont le but tait de concevoir des produits et des procds chimiques permettant de rduire ou dliminer lutilisation et la synthse de substances dangereuses, le danger tant pris au sens le plus large : physique (substance inflammable, explosive,), toxicologique (cancrigne, mutagne,) ou global (destruction de la couche d'ozone, changement climatique,). Cette dfinition a t ensuite dveloppe en douze principes par les chimistes amricains Anastas et 1 IEA International Energy Agency. 2008. Energy Technology Perspectives 2008 - Scenarios and Strategies to 2050. Paris (FRA): OECD/IEA. 2 GIEC (Groupe dexperts intergouvernemental sur lvolution du climat) : http://www.ipcc.ch Changements climatiques 2001. Rapport de synthse : http://www.ipcc.ch/pub/un/syrfrench/spm.pdf 3 Anastas, P.T., Warner, J.C. 1998. Green chemistry theory and practice. Oxford University Press, Oxford, 135 p. 4 Lancaster, M. 2002. Green chemistry, an introductory text. Royal Society of Chemistry, Cambridge, 310 p. 5 Colonna, P. 2006. La chimie verte. Paris (FRA): Lavoisier.

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Warner6. Sont rappels ici ceux qui sont les plus pertinents pour la problmatique de cet ARP, non seulement lutilisation de matires premires renouvelables (7me principe), mais aussi : lconomie datomes et dtapes (2me principe) pour raliser, moindre cot, lincorporation de fonctionnalits dans les produits recherchs tout en limitant les problmes de sparation et de purification ; la recherche dalternatives aux solvants polluants et aux auxiliaires de synthse (5me principe). Beaucoup de solvants traditionnels ont un impact environnemental lev (CFC, COV,) et leur usage est aujourd'hui soumis des restrictions importantes. Cela entrane le dveloppement de procds faisant appel des solvants verts, utiliss dans des conditions de raction particulires, tels que le dioxyde de carbone l'tat supercritique (intermdiaire entre gaz et liquide) et leau comme solvant de substitution de solvants organiques mais polaires ; la conception de produits chimiques moins toxiques avec la mise au point de molcules plus slectives et non toxiques (4me principe) ; la rduction du nombre de drivs en minimisant l'utilisation de groupes protecteurs ou auxiliaires (8me principe) ; lutilisation des procds catalytiques (dont les biotechnologies font partie) de prfrence aux procds stchiomtriques avec la recherche de nouveaux ractifs plus efficaces et minimisant les risques en terme de manipulation et de toxicit (9me principe). Les conomies datome conduisent remplacer les ractions stchiomtriques par des ractions catalytiques plus efficaces (si elles existent) et privilgier les ractions intrinsquement les plus efficaces, comme les rarrangements, au cours desquels les atomes du ractif se rarrangent pour former le produit et dont l'utilisation atomique est de 100 %. Paralllement, le dveloppement de matriaux biosourcs issus du fractionnement et de la recomposition de la biomasse vgtale tend lui aussi se dvelopper. Ce domaine nest pas considr prioritairement dans lARP, mais ne peut pas tre compltement occult du fait (i) de la concurrence entre les diffrents usages de la biomasse et (ii) que la conception de certains matriaux biosourcs (les composites drivs du vgtal) pose des questions similaires celles traites pour les finalits nergtiques et chimiques. Il importe ce stade de reconnatre que les besoins associs ces finalits nergtiques, chimiques et de production de matriaux biosourcs ne sont pas de mme nature et posent des questions scientifiques et technologiques distinctes : les besoins nergtiques sont immenses et mettent dabord en jeu des questions de rendement ; les besoins pour la chimie sont en volume moins importants mais sensiblement plus diversifis, et aussi plus spcialiss et segments. Dans ce contexte gnral, des politiques publiques ont t mises en place, notamment afin dencourager la valorisation nergtique de la biomasse7. La forte croissance des investissements dans les biocarburants dits de 1re gnration (biodisel et biothanol) qui utilisent les ressources actuelles en huiles vgtales, en saccharose ou en amidon, a suscit des controverses, dont la solution devrait merger des travaux sur les biocarburants de 2me gnration fonds sur la valorisation, par la voie biologique ou la voie thermochimique, de la biomasse lignocellulosique et des micro-algues pour la 3me gnration. La simultanit des rflexions et des actions dans le domaine des usages alimentaires, chimiques et

6 Anastas, P.T. et Warner, J.C. 1998. Green chemistry theory and practice. Oxford University Press, Oxford, 135 p. 7 France : loi n 2005-781 du 13 juillet 2005 de programme fixant les orientations de la politique nergtique ; Allemagne : Bundesministerium fr Umwelt, Naturschutz, und Reaktorsicherheit (BMU), Erneuerbare Energien in Zahlen Stand, Mrz 2003 Deutscher Bundestag, Bericht ber die Bestandsaufnahme durch die Deutsche Energie-Agentur (dena) ber den Handlungsbedarf bei der Frderung des Exportes erneuerbarer Energie-Technologien, Drucksache 15/1862 (November 2003). - Europe : 1997, Directive on renewable energy source 08/03/2006, Livre vert. Une stratgie europenne pour une nergie sre, comptitive et durable ; USA Energy Policy Act of 2005 (Pub.L. 109-058), United States Congress on July 29, 2005.

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nergtiques de la biomasse rencontre une difficult particulire due aux grand nombre de filires concernes qui rpondent des besoins diversifis et qui ne sont pas indpendantes du fait de la finitude des ressources disponibles (comptition entre usages du sol), de leur complmentarit (assolements et rotations, intgration territoriale), et de la diversit des produits et coproduits, de linterconnexion des marchs et des filires technologiques (Figure 1).

Figure 1: vision synoptique de lconomie circulaire du carbone renouvelable.

Une approche systmique est donc ncessaire en synergie lapproche rductionniste quelle plante pour un usage dfini ? : un grand nombre de voies parallles permettent de produire de la biomasse des fins nergtiques ou chimiques8,9,10 : loptimisation des cultures existantes, lexploration de la diversit naturelle et lacclimatation despces jusquici non cultives, la transformation des espces, loptimisation des usages de la biomasse (concept de bioraffinerie), le choix des espces, quil sagisse de dfinir celles qui seront utilises en production (cultures annuelles ou prennes, algues) ou de choisir quelques espces modles sur lesquelles des rsultats de porte gnrique facilement transposables pourront tre acquis11. Ces choix relatifs au matriel vgtal et son fractionnement ne peuvent videmment pas tre abords sans considrer ds le dpart le type de produits attendus quels synthons ? quel biocarburant ? et les procds ncessaires pour les extraire, les purifier ou les transformer partir de la biomasse. Il nest pas non plus possible de rflchir aux vgtaux du futur sans considrer la faon dont ils seront 8 Business Feature. 2006. Nature 444 : 669-678. 9 Kennedy, D. 2007. The Biofuels Conundrum. Science 316 :515 10 Sommerville, C. 2006. The Billion-Ton Biofuels Vision. Science 312 :1277 11 Morot-Gaudry, J.F., Lea, P., Birat, J.F. 2007. Functional Plant Genomics. Science Publishers, Enfield, NH, USA

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produits cest--dire aux systmes de culture et de production qui seront mis en uvre ni sans valuer les consquences directes et indirectes en termes de bnfices, de cots et de risques de ces choix sur lenvironnement, sur les territoires, sur les marchs. Ces questions sont aujourdhui dbattues et il existe un besoin de recherche pour les approfondir. Une approche systmique, incluant une analyse multicritres, du berceau la tombe, simpose afin dassurer des voies damlioration globales. Ce type dapproche vite ainsi tout transfert de pollution entre acteurs ou entre milieux, tout en permettant lidentification des points amliorer en priorit aux diffrentes tapes dune filire12,13. Cette approche systmique ne doit pas se limiter la seule approche filire mais aussi prendre en compte les opportunits dintgration, de synergie entre filires sur un site industriel ou un bassin dapprovisionnement. Ces diffrentes approches systmiques contribuent une volution des bioraffineries14. Le dveloppement et la diversification des usages de la biomasse prsentent galement des risques ou limites. Parmi les diffrents facteurs dterminants pour lvolution des usages nergtiques et chimiques de la biomasse, il faut notamment considrer : La pression sur les ressources fossiles, avec court terme laugmentation et la fluctuation de leurs prix et long terme leurs rarfactions. Lvolution des marchs des matires premires agricoles, en lien avec la complmentarit et la concurrence entre usages alimentaires et non alimentaires de la biomasse. Ladaptation des ressources naturelles sous la pression du changement climatique (cf ARP ADAGE https://www1.clermont.inra.fr/adage/). Les innovations technologiques et les avances de la recherche dans les filires bio-sourcs mais aussi dans les filires concurrentes (substitution) concernant notamment le dveloppement des biocarburants de deuxime et troisime gnrations ; les innovations concurrentes dans les transports (ex. des vhicules lectriques) ; les nouveaux procds physiques, chimiques et biologiques ; linnovation dans les secteurs avals. La durabilit des systmes de production agricoles et industriels, les impacts environnementaux directs et indirects de ces filires (bilan carbone, impacts sur les ressources naturelles), leurs effets sur le dveloppement territorial. Cet enjeu environnemental avec la ncessaire limitation des intrants (eau, engrais,) et les impacts potentiels (quilibres cologiques, paysage,) nest pas spcifique lARP, mme sil interpelle directement sur les finalits mmes de ces politiques (rduction des GES,). Les demandes socitales, susceptibles dvoluer avec des changements de modes de vie, de formes dhabitats, mais aussi avec le dveloppement des proccupations sanitaires, environnementales et territoriales. Les politiques publiques nationales et internationales qui jouent un rle primordial en influant sur loffre et la demande en produits bio-sourcs par des mesures incitatives (mesures fiscales par exemple), rglementaires (ex. de REACH) ou de certification dans les domaines agricoles, nergtiques, environnementaux et industriels. Le contexte gopolitique, susceptible dinfluer sur les choix stratgiques des Etats en matire de scurit alimentaire et dindpendance nergtique, et sur les marchs et les prix des matires premires fossiles et agricoles. Ce facteur doit tre analys au regard des systmes de gouvernance qui se dvelopperont lchelle internationale. Ces problmatiques expliquent lintensit des dbats et controverses qui mergent sur un thme qui 12 ADEME/DIREM. 2002. Bilans nergtiques et gaz effet de serre des filires de production de biocarburants en France. http://www.industrie.gouv.fr/energie/renou/biomasse/ecobilan-synthese.pdf 13 WTW EUCAR/JRC/CONCAWE. 2002. Well-towheels analysis of future automotive fuels and power trains in the European context (http://ies.jrc.ec.europa.eu/wtw.html) 14 DOE (U.S. Department of Energy) http://www.energy.gov/ http://www1eere.energy.gov/biomass/program_areas.html

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concerne aussi bien le court que le trs long terme. La ncessaire combinaison des approches de diffrentes natures, ascendantes, descendantes et systmiques rend indispensable la mobilisation de comptences disciplinaires trs varies avec un large spectre des acteurs potentiellement concerns, non seulement dans le champ acadmique mais aussi dans ceux des pouvoirs publics, des acteurs agricoles et industriels, des reprsentants de la socit civile. Les enjeux lis cet ARP ncessitent donc la fois une vision prospective et une grande ouverture. Tableau 1 : volution smantique du champ considr

Priode Dnominations dominantes Commentaires 1990 -2000 Les valorisations agricoles non alimentaires

(VANA) Les usages de la biomasse La valorisation de la biomasse Les agro-ressources

Problmatique axe sur la recherche de dbouchs une agriculture et une agro-forestrie ayant des excdents

2000 -2008 Lagro-chimie, la chimie du vgtal La chimie bio-source (bio-based) (bioproducts)

Insiste sur la chimie alors que les progrs majeurs sont attendus dans les biotechnologies blanches et vertes

depuis 2008 La bio-conomie La chimie verte du carbone renouvelable Economie dcarbone

Associe les filires alimentaire, nergtique et chimique, rpondant ainsi au besoin dune vision systmique Focalise sur la chimie et les bionergies Oxymoron car le carbone reste latome central dans toute la problmatique. Dfossilise eut t plus adquat.

Cet ARP est centr sur lidentification despces vgtales et de voies mtaboliques dintrt ainsi que sur la conception et lvaluation des systmes de production durables, pour rpondre aux besoins en biomasse vgtale, provenant du dveloppement des nouvelles filires nergtiques et du carbone renouvelable. En termes de finalits, il a privilgi les biocarburants et la chimie du vgtal, sans ngliger dautres formes de valorisation de la biomasse nergtiques (combustion directe pour la production dnergie) ; matriaux biosourcs (notamment ceux qui sont bass sur le fractionnement fin de la biomasse) ; alimentaires (coproduits, comptition entre filires) du fait mme de linterdpendance des filires et des marchs. Il visera un quilibre entre des tats de lart court terme (synthse des connaissances) et des approches long terme plus prospectives. Cet atelier sinscrit dans une dynamique trs large, o lvolution des choix smantiques (Tableau 1) converge vers la chimie verte du carbone renouvelable en accord avec les principes de la chimie verte et le souci de durabilit.

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Cette rflexion prolonge les rflexions publies par les organismes internationaux15, aux USA16, au Brsil17, en Europe18, avec plusieurs plates-formes technologiques19. En France, lADEME20 travers lanimation du GIS AGRICE et du programme Bois Energie a contribu trs tt stimuler des recherches dans ces domaines et plusieurs ples de comptitivit ont centr leurs activits sur ces thmatiques21. Aujourdhui plusieurs programmes nationaux traitent le sujet22, chacun sous un angle particulier. Par ailleurs, les tablissements de recherche eux-mmes y ont contribu soit par le montage de programmes interdisciplinaires (cf. le programme Chimie pour le Dveloppement Durable du CNRS en partenariat avec lINRA), soit par le renforcement de leurs comptences et la structuration de leurs dispositifs (cf. la mission CARBIO : CArbone Renouvelable et Bioindustries de lINRA) ou encore, par la mise en place, avec le soutien de lAII, de prototypes industriels pour les biocarburants de 2me gnration. Sur la base de ces nombreuses connaissances et savoir-faire industriels, trois objectifs ont t fixs ce travail collectif : Etablir un tat de lart qui soit directement utilisable par les acteurs publics et privs. Dterminer les limites et les lacunes afin didentifier des pistes de recherche, en termes de mthodes (ex. bilans environnementaux ou modles conomiques) aussi bien que despces ou de voies mtaboliques tudies, de dfis biotechnologiques ou de conception de systmes intgrs, en regard des enjeux nergtiques, environnementaux, socio-conomiques et gopolitiques. Etablir une plate-forme de discussion, large et ouverte, dont il est espr quelle persiste au-del de latteinte des deux premiers objectifs.

15 AIE. World Energy Outlook 2007. AIE (2008) Energy Technology Perspective, Scenarios and Strategies to 2050 16 DOE-USA joint solicitations in the Biomass Research and Development Initiative (http://www.brdisolutions.com/default.aspx). 17 Filho, M.V., Araujo, C., Bonfa A., et Porto W. 2011. Enzyme Research. Doi:10.4061/2011/654596, 8 pages 18 AEE. 2006. How much bioenergy can Europe produce without harming the environment? EPOBIO (2008) The Impact of 'Non-Food' Research (1988 to 2008). 19 Plates-formes technologiques europennes concernes :

Au plan des finalits nergtiques et chimiques : lEuropean Biofuels Technology Platform (http://www.biofuelstp.eu/); et lEuropean Technology Platform for Sustainable Chemistry (http://www.suschem.org/) ;

Au plan des productions vgtales au sens large : lEuropean Technology Platform Plants for the Future (http://www.epsoweb.org/Catalog/TP/) ; lEuropean Forest-based Technology Platform (http://www.forestplatform.org/).

20 ADEME- ALCIMED. 2007. March actuel des bioproduits industriels et biocarburants et volution chance 2015-2030. 21 Ples de comptitivit vocation mondiale concerns : AXELERA (Chimie et environnement, Rhne-Alpes) (http://www.axelera.org/) ; Industries Agro-Ressources (http://www.iar-pole.com/). Autres ples de comptitivit concerns : AGRIMIP Innovations (Midi-Pyrnes) (http://www.agromip.educagri.fr/agrimip-innovation.html) ; Crales Valle (Auvergne) (http://cereales-vallee.org/) ; Fibres du Grand Est (http://www.polefibres.fr/) ; Industries et Pin maritime du futur (Aquitaine) (http://www.ipmf.fr/) ; Q@LI-MEDiterrane (http://www.agropolis.fr/qalim/) ; Parfums, armes, saveurs et senteurs (PACA) (http://www.pole-pass.org/). 22 Au premier chef, les programmes Chimie et procds pour le dveloppement durable et Bionergies (PNRB). Mais aussi : les programme GENOPLANTE et Gnomique microbienne grande chelle au titre des recherches en gnomique vgtale et des micro-organismes ; le programme national de recherche sur les OGM ; les suites qui seront ventuellement donnes au programme Agriculture et dveloppement durable au titre de la conception de systmes durables

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Les deux lignes dhorizon choisies sont lchance de 2050 et une vision internationale, en considrant que les besoins fondamentaux (alimentation, hygine, habitat, transport, emballages,) sont identiques partout, les solutions pouvant diffrer selon les conditions locales environnementales et de dveloppement. La valeur ajoute de cet ARP sera valuable laune des orientations et des inflexions dans les programmes ANR existants ou venir, chez les partenaires de lARP en parallle, ou encore favoriser lmergence de projets technologiques ports par lADEME, OSEO ou des ples de comptitivit. Le plan de prsentation des rsultats est construit partir des trois approches : Une approche d'ingnierie inverse partant des besoins en bionergie, synthons et matriaux biosourcs, formuls par les industriels et la socit, et remontant vers l'identification des proprits attendues des vgtaux. Une approche descendante par filire visant explorer la diversit des solutions vgtales pour produire la biomasse tout en intgrant la question transversale de la bioraffinerie. Une approche systmique qui porte sur la conception, lvaluation et la mise en perspective de systmes de production durables. Chaque approche a t synthtise dans un chapitre de 3 5. Au cours des discussions il est apparu ncessaire de dfinir, ou dtablir un consensus sur des dfinitions des principaux mots cls de ce domaine, ce qui sest concrtis par un lexique. 3. Expression des besoins 3.1. Attentes et besoins en nergie, en synthons et en matriaux biosourcs Les molcules attendues correspondent dabord des synthons, cest--dire aux molcules qui sont la base des processus ultrieurs de synthse et de fonctionnalisation. Toutefois la chimie utilise aussi des molcules associes dans des organisations supramolculaires (ex. fibres de cellulose), dont le maintien de lassociation est ncessaire tant du point de vue des proprits attendues que de lefficacit des procds ultrieurs et de lutilisation. Lanalyse sera structure sur les familles des grands intermdiaires chimiques, des carburants et additifs, des lments supramolculaires (fibres,). Cette tche pourra notamment sappuyer sur les rflexions dj conduites dans le cadre du DoE amricain, des plates-formes technologiques europennes Sustainable Chemistry et Biofuels, de la stratgie europenne pour les biocarburants et de lADEME. Dlivrable 1 : recenser les molcules et leurs assemblages supramolculaires en prcisant les volumes de production et la valeur ajoute des produits, les degrs de puret et lhtromolcularit acceptables pour les procds actuels ou futurs, de la chimie et des carburants. Pour les organisations supramolculaires, les dimensions caractristiques font aussi partie du cahier des charges. Le rfrentiel actuel de la chimie et de lnergie est fond sur la ptrochimie qui a supplant la carbochimie base de charbon. Les trois sources de carbone fossile, le gaz naturel, le ptrole et le charbon, sont simultanment la base des systmes nergtiques et de lindustrie chimique. Ces trois ressources font lobjet de technologies diffrentes, en raison des caractristiques initiales de ces trois matires. La spcificit de ces procds chimiques est de partir de molcules de base CH4 (gaz naturel), C- (charbon), ou CnHm, n pouvant atteindre 50 (ptrole). Dans ce dernier cas, les molcules sont

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essentiellement de nature paraffiniques ou naphtniques (quasiment pas d'olfines ou d'aromatiques sauf pour ces derniers, dans la fraction la plus lourde avec des polyaromatiques condenss). Le point commun ces trois filires est que la premire tape est toujours un fractionnement molculaire, parfois suivi par une simplification molculaire. Le gaz naturel, la ressource la plus simple, ne comporte quun fractionnement. Pour le ptrole, le raffineur dispose d'une palette d'options assez large pour adapter sa production la demande, mais la mise en uvre est : Soit trs dpendante des conditions conomiques prvalant sur les marchs ptroliers (le raffinage, dont les marges sont trs volatiles et ont t souvent faibles, est le parent pauvre des oprateurs ptroliers dans un contexte de comptition internationale forte). Soit directement la consquence de dcisions rglementaires (teneur en aromatiques des essences, teneur en soufre trs faible des carburants et maintenant forte rduction de la teneur en soufre des soutes maritimes,...). 3.1.1. Energies A lchelle mondiale, deux dfis nergtiques se dessinent : (i) accomplir une dfossilisation des systmes nergtiques et (ii) assurer des approvisionnements nergtiques fiables des prix raisonnables. La biomasse peut contribuer rpondre au premier dfi, mais il est essentiel pour cela de tenir compte du second. La demande nergtique est de deux ordres : Une demande de combustibles solides, o le bois-nergie (ou bois de feu) est une solution technologique rencontre dans de nombreux pays. Une demande de carburants pour les moyens de transports.

Dans le bouquet nergtique, les nergies carbones sont des formes de stockage qui diffrent entre elles par la densit nergtique. Pour illustration, 1 tonne quivalent ptrole (tep) quivaut 1,43 tonne quivalent charbon, 4,46 m3 de bois, 1,96 m3 dthanol, 1 110 m3 de gaz naturel, 41,848 GJ ou encore 11 600 kWh. En 2004, les nergies renouvelables mondiales ont reprsent 13,1 % des nergies primaires (production totale dnergie primaire mondiale de 11 059 Mtep). Les combustibles et dchets (97 % de biomasse) ont reprsent 79,4 % du total des nergies renouvelables, suivis par lnergie hydraulique (16,7 %). En France, daprs lInventaire Forestier National (2008), la production de la fort par accroissement naturel reprsente environ 100 Mm3 par an, soit 22,4 Mtep. Lutilisation du bois pour lnergie (dont le bois de feu) a t de 8 Mtep en 2008. Pour les pays en voie de dveloppement comme lAfrique, 80 % de lnergie provient du bois. Dans le monde, daprs la FAO, environ 40 % du bois est consomm en bois de feu (FAO Food and Agriculture Organization, 2009). Dans le scnario de rfrence de type Business as usual de lAgence Internationale de lEnergie (2008), la demande mondiale en nergie primaire double sur la priode 2005-2050 et passe de 11 730 Mtep plus de 23 000 Mtep. Lnergie fossile reprsente 84 % du bouquet nergtique mondial en 2050 avec une forte mobilisation du charbon, mme si les nergies renouvelables augmentent le plus rapidement. Dans ce scnario, en 2050, la biomasse reprsenterait 2 150 Mtep, soit 9 % de la

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demande dnergie primaire et serait principalement utilise sous la forme de biomasse traditionnelle et, dans une moindre mesure, pour la production de chaleur et dnergie. Cependant, dans les diffrents scnarios 2050 raliss par lAIE, la demande nergtique mondiale varie de 23 000 Mtep dans le scnario Business as usual 16 000 Mtep pour les scnarios de rduction des missions de gaz effet de serre (Bluemap et Actmap) o des innovations radicales en termes defficacit nergtique sont mises en place dans tous les secteurs dactivits. Deux facteurs sont particulirement importants pour le dveloppement des bionergies : Lvolution des politiques publiques en lien avec les dynamiques des controverses, les volutions des attentes socitales et les enjeux gostratgiques. Le prix des nergies fossiles qui conditionne la rentabilit conomique de ces filires. 3.1.1.1. Combustibles La production d'nergie partir de turbines ou de groupes lectrognes, le chauffage domestique, la production de chaleur usage industriel sont autant d'applications qui sont dj consommatrices de composs ex-biomasse, sous forme de combustibles. Pour ces applications, les produits solides (bois, dchets), les produits liquides ou gazeux (tous les produits prcdemment dcrits avec des critres de slection lgrement diffrents) sont envisageables. On peut considrer que toutes les solutions d'alternatives liquides ou gazeuses sont dj cernes. C'est donc le bois et les rsidus agricoles, en tant que combustibles, qu'il faudra ici dtailler. Un combustible est une matire qui, en prsence d'oxygne et d'nergie, peut se combiner l'oxygne (qui sert de comburant) dans une raction chimique gnrant de la chaleur. La plupart des matriaux d'origine organique sont des combustibles. Tableau 2 : proprits physiques des principaux carburants et combustibles

Etat physique Compos

PCI (KJ/kg)

Masse volumique

T bullition

Etat doxydorduction

liquide hydrogne 242,7 67,8 kg/m3 -252,8 liquide mthanol 19,9 0,8 g/mL 65 -2 liquide thanol 28,8 0,8 g/mL 79 -2 liquide butanol 33,1 0,78 82 -2 liquide propanol 30,7 0,8 98 -2 mthane 50 0,68 kg/m3 -161 -4 propane 46 -42,1 -2,6

butane 46 600 kg/m3 0C -0,5

-2,5

liquide vegetable oil 40 -1,75 liquide essence 47,3 liquide gazol (diesel) 44,8 0,83 - 0,86 solide bois 15 0,5 - 0,85 - 0 solide charbon 15-25 1,4 - 17 - -1 paraffines longues 44 0,9 46-68 -2 liquide benzne 40 0,87 80 -1 Les composs de la biomasse (bois, copeaux ou granuls de bois, pailles et autres fractions de la biomasse) prsentent cette proprit. Les principaux avantages de la biomasse sont (i) une large

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rpartition gographique des ressources la surface du globe, accrue par la prise en compte des dchets agricoles et urbains ; (ii) une dcarbonisation du systme nergtique. Parmi les facteurs limitants de la biomasse, il convient de citer la teneur en eau, rsultant soit de la rcolte dun organe avant dessiccation, soit de la rcupration dune fraction au cours dun processus technologique employant leau comme milieu vecteur. Le charbon et le bois prsentent des analogies dans les technologies disponibles pour leurs usages nergtiques, ce qui permet de bnficier des innovations technologiques par transfert, voire denvisager des valorisations mixtes charbon-biomasse (Tableau 3). Tableau 3 : transferts de technologie des procds thermochimiques de combustion entre les ressources fossiles et renouvelables.

Technologie Produits

Combustion en prsence doxygne, pression atmosphrique

Chaleur et vapeur deau. La biolectricit provient actuellement de la cognration, par production simultane dlectricit et de chaleur.

Carbonisation 400C, plusieurs jours

Charbon de bois, charbon actif Bois torrfi

Pyrolyse basse temprature 8h, 500C, absence doxygne

Huiles et charbon de bois

Pyrolyse Haute temprature Absence doxygne

Gaz, mthane

650-1200C

Le syngaz a t utilis directement dans un moteur combustion interne mais cette solution n'est quasiment plus concevable aujourd'hui. Il sert produire de l'hydrogne et du mthanol, mais il est surtout converti via le procd Fischer-Tropsch en carburants de synthse (CtL, BtL pour la production de gazoles et de carburacteurs).

Verrous et questions de recherche Lutilisation nergtique de la biomasse en combustible rencontre 3 verrous: La production de goudrons forms au cours de la pyrolyse, tape primaire de tous les procds thermochimiques, et qui se retrouvent dans tous les effluents gazeux sous forme de HAP gazeux, arosols ou liquides. Leur limination est problmatique : tudier les mcanismes de formation des goudrons partir des lignines, pour une slection adapte des biomasses mettre en uvre. La production importante de cendres et poussires dues la prsence de matires minrales dans la biomasse (1 6 % pour les matires ligneuses). Les cendres composes essentiellement de carbonate de sodium et de carbonate de potassium suscitent aprs la combustion des oprations de manipulation. La prsence de silice, notamment chez les plantes annuelles et dans les rsidus agricoles, peut galement constituer une contrainte forte vis vis des procds thermochimiques : matriser la teneur et la nature des matires minrales. La faible efficacit des combustions traditionnelles (bois de feu) pouvant descendre jusqu 10 % : amliorer lefficacit nergtique des procds de combustion.

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3.1.1.2. Biocarburants Chaque carburant est adapt un type de moteur et doit rpondre une gamme de spcificits techniques troites. En outre une grande partie de ces carburants sont utiliss pour le transport, ce qui induit de rendre disponibles ces biocarburants sur des zones gographiques trs larges pour ne pas obrer les capacits des moyens de transport ! Le corollaire est que les procds dobtention des carburants sont convergents : partir de diffrentes matires premires, une famille rduite de molcules doit tre obtenue par la mise en uvre de procds adapts dans cet objectif qualitatif. Toutes les solutions de biocarburants vont bnficier dune distribution facile, pouvant profiter de linfrastructure dj en place, sans modification ni investissements particuliers. 3.1.1.2.1. Transformation en gaz de synthse Constitu d'hydrogne (H2) et de monoxyde de carbone (CO), le gaz de synthse (syngaz) est aujourd'hui produit industriellement surtout partir de gaz naturel mais aussi partir de rsidus ptroliers, de charbon et dans une moindre mesure de biomasse. S'il y a sparation du CO ou conversion du CO en H2, l'hydrogne qui en rsulte est utilis tel quel ou sert d'intermdiaire pour la production d'ammoniac. Sans tape de sparation/conversion du CO, le gaz de synthse sert entre autres comme intermdiaire la production de mthanol, d'autres alcools ou de carburants de synthse (Figure 2).

Figure 2 : produits drivs du gaz de synthse (syngaz)

La gazification est le procd thermochimique qui permet de produire le gaz de synthse partir de la biomasse et dun ractif gazeux tel que lair, loxygne ou la vapeur deau. La transformation a lieu haute temprature (800-1000C) et gnralement pression atmosphrique ou moyenne pression. Les gazifieurs de biomasse oprent soit en lit fixe, soit en lit fluidis plus performant et acceptant une grande diversit de biomasse, soit en lit mobile. Paralllement, outre les principaux produits H2 et CO,

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dautres produits gazeux (CH4, hydrocarbures plus lourds, CO2 mais aussi NH3, gaz soufrs ou chlors, NOx) et des produits solides (goudrons, charbon et poussires) sont forms. La voie la plus simple pour apporter la chaleur ncessaire au gazifieur consiste utiliser lair comme agent de gazification et ainsi brler partiellement la biomasse. Toutefois, du fait de la grande teneur en azote dans l'air, la valeur calorifique du gaz produit est alors faible. Lutilisation doxygne pur est trs efficace mais conduit un cot total du procd lev. L'enchanement de procd concernant la gazification de biomasse et sa valorisation en produits bio-sourcs est dcrit de manire simplifie dans le schma ci dessous :

Figure 3 : tapes de la transformation de la biomasse en syngaz

3.1.1.2.2. Le traitement du gaz de synthse Le gaz de synthse issu du gazifieur doit tre adapt la raction de synthse souhaite : mthanol, thanol, etc. Il s'agit d'purer le gaz de ses impurets, mais aussi d'augmenter le ratio H2/CO et d'abaisser le CO2. Nous retiendrons les principales tapes suivantes : la filtration, la raction de Water Gas Shift , le lavage et enfin la captation (filtrage ultime). En sortie du gazifieur, la nature et la quantit des impurets possibles peuvent varier selon la composition de la biomasse (bois ou paille) et selon la technologie de gazification. Ce sont des particules solides, des produits organiques, des composs azots, soufrs, des halognures, des mtaux notamment alcalins. Mme en trs faibles quantits, ces impurets sont des poisons des catalyseurs ncessaires pour la synthse chimique. Ils peuvent aussi tre des agents corrosifs des installations. La filtration permet d'liminer les particules solides, carbonates, oxydes rfractaires, particules ou arosols d'alcalins. Les technologies mettre en uvre sont connues pour certains composs mais des dmonstrations restent raliser pour s'assurer de l'limination correcte de certains d'entre eux, notamment le sodium et le potassium. La raction de Water Gas Shift , CO + H2O CO2 + H2, permet de convertir une partie du CO contenu dans le gaz de synthse en H2 afin d'obtenir un ratio H2/CO correct. C'est une raction catalytique qui, selon le catalyseur utilis, peut galement permettre d'hydrolyser une partie des composs azots et soufrs. Le lavage peut se raliser par l'intermdiaire d'eau, d'amines, de mthanol ou d'autres solvants. Il s'agit d'liminer les acides de type HCl, HF, HCN, H2S ainsi que NH3 et COS. Enfin, des masses de captation,

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introduites en quantit suffisante, vont liminer les dernires traces de polluants gazeux en vue d'obtenir un gaz de synthse aux spcifications de la raction souhaite. Le gaz de synthse est utilis comme intermdiaire ractionnel, notamment pour la raction de Fischer-Tropsch, qui permet de produire des analogues dhydrocarbures (carburant diesel, krosne) pour la production dlectricit (moteur gaz + alternateur) et ventuellement de chaleur. Il peut aussi tre utilis comme substrat de fermentation : cette voie biologique alternative est dcrite en dtail dans la tche 4. Parmi les carburants alternatifs aux carburants ptroliers le dimthylther (DME) et le gazole Fischer-Tropsch sont ceux qui suscitent le plus dintrt aujourdhui. Dcouvert en 1923, la synthse de gazole FT a t jusqu prsent essentiellement mise en uvre dans des conditions de pnurie de produits ptroliers (guerres, embargos, chocs ptroliers). La France est implique dans cette technologie avec deux projets de dmonstrateurs : BioTfuel et Gaya. Le gazole issu de ce procd est attractif pour la formulation des biocarburants car il ne contient pas de soufre, pas de composs aromatiques et a un indice de ctane lev, do une rduction des missions dhydrocarbures imbruls et de particules de prs de 50 %. En revanche sa production est pnalisante puisque trs consommatrice dnergie. Cette logique est dj prsente dans les biocarburants. Le tableau 4 regroupe les diffrentes nergies ex biomasse avec les types d'utilisation dans le transport, associes aux types de ressources et au niveau de maturit valu ce jour. Demain, le spectre d'usage s'largira, tout d'abord avec l'aronautique et la traction off-road, et on peut aussi envisager des applications ferroviaires et marines. Pour chacune de ces applications, les exigences techniques et de qualit des produits sont dj bien cernes ou le seront rapidement, avec des caractristiques et des critres de svrit propres chaque application. Tableau 4 : diffrentes nergies ex biomasse avec les types d'utilisation dans le transport, associes aux types de ressources et au niveau de maturit valu ce jour.

Produits Niveau de dveloppement

Ressources Type d'application

Alcools : thanol 1re Gnration thanol 2me Gnration Butanol Alcools suprieurs

Mature En dveloppement En dveloppement En dveloppement

Sucre, amidon Lignocellulose, dchets Lignocellulose, dchets Lignocellulose, dchets

Routier, moteur thermique Routier, moteur thermique Routier, arien Routier, arien

Hydrocarbures : BtL, WtL HVO

En dveloppement Certains process identifis

Lignocellulose, dchets Huiles vgtales, triglycrides, algues

Routier, arien, stationnaire Routier, stationnaire, arien

Huiles de pyrolyse En dveloppement Ligno-cellulose, dchets nergie, routier

Huiles vgtales Triglycrides

Connu En dveloppement

Plantes olagineuses, mais impact de l'origine cl Substrat variable

Moteur diesel ancien, chauffage, gros moteurs diesel rustiques, nergie, maritime-fluvial A prciser en fonction des produits

Ester d'acides gras Mature Plantes olagineuses, mais impact de l'origine

Routier, stationnaire, ferroviaire, arien peu

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important, algues probable, Actals Prospectif Lignocellulose,

coproduits Routier, arien

ther DME ETBE Autres

Mature ou prospectif Dpend de l'ther Routier, nergie, domestique

H2 Prospectif Sucre, algues, Lignocellulose

Routier, arien, stationnaire (PAC)

Biogaz Mature mais optimiser Dchets, lignocellulose, algues

Routier, stationnaire

Autres : furane, drivs d'acide succinique, lvulinique, ...

A optimiser ou dvelopper

Routier, arien

Dans ce tableau, n'apparaissent clairement que le transport routier et le transport arien. Dans les deux cas, la diversification de la ressource est bien entendu un critre dominant mais l'enjeu d'une rduction drastique de la contribution du transport routier et arien aux missions de gaz effet de serre fait que ce critre devient prdominant. Ainsi, toute filire ex-biomasse qui sera identifie devra montrer un bilan nergtique et un bilan des missions de gaz effet de serre favorable du champ au rservoir. Notons que dans la rcente directive europenne (2009/28/EC) concernant l'utilisation des nergies renouvelables, les filires identifies sont caractrises par des critres de durabilit. A linstar de ce qui sera dcrit pour les synthons, les molcules prsentes dans les biocarburants ont des spcificits qui stendent bien au del du seul PCS. Le monde du transport a des exigences de qualit rigoureuses afin de permettre une utilisation instantane offrant toutes les garanties de scurit, d'agrment et d'impact sur les rejets polluants, mais aussi de permettre une utilisation prenne sans dgradation des points prcdents. Par exemple, aujourd'hui le biodiesel (esters mthyliques d'acides gras) et le biothanol doivent rpondre des spcifications prcises (en Europe, respectivement EN14214 et EN15376) pour offrir les minima de qualit que requiert une utilisation sur moteur. Une rflexion europenne vient d'tre engage au sein du Comit Europen de Normalisation (CEN) afin de lgifrer sur les caractristiques des BtL. On signalera que ces spcifications sont rgulirement rvises, soit pour tenir compte d'une modification des modes d'utilisation (par exemple, accroissement du taux d'incorporation dans le pool carburant), soit pour intgrer une volution technologique rendue ncessaire dans un contexte donn. Le tableau 5 regroupe les contraintes du transport routier et arien et prsente une analyse critique du potentiel de chaque filire. Tableau 5 : avantages et inconvnients des diffrentes filires selon les critres considrs

Critres Avantages Inconvnients Critres de combustion indices d'octane indice de ctane combustion turbine

Alcools, biogaz, biodiesel, BtL, WtL, HVO Biogaz, biodiesel, BtL, WtL, HVO

Emissions de polluants

Alcools : CO, HC Biodiesel : PM, CO, HC DME : PM BtL, WtL, HVO : PM, HC Biogaz : HC, CO H2 : CO, HC

Alcools : aldhydes (alcools, acides) Biodiesel : NOx HAP (?) H2 : NOx voir

Stabilit au stockage, l'oxydation BtL, WtL, HVO Huiles vgtales, Biodiesel, huiles de

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pyrolyse, Tenue au froid Alcools lgers, alcools

suprieurs jusqu' C6 Alcools lourds, biodiesel, Huiles vgtales

Distillation et volatilit BtL, WtL, HVO, alcools lourds DME, huiles vgtales, alcools lgers, huiles de pyrolyse

Impurets (mtaux, structures chimiques)

Huiles vgtales, huiles de pyrolyse

Contenu nergtique BtL, WtL, HVO Tous les composs oxygns des degrs divers Les produits gazeux doivent faire l'objet d'une analyse spcifique

Compatibilit avec les autres carburants

BtL, WtL, HVO

Compatibilit avec matriaux BtL, WtL, HVO Alcools, biodiesel Encrassement BtL, WtL, HVO

Biogaz, H2, DME Huiles vgtales, huiles de pyrolyse, biodiesel

Les critres ci-dessus sont ceux qui orienteront les choix des filires en priorit, dans un contexte de croissance forte de la consommation. En effet, en France, c'est une consommation de 4 Mtep en 2020, correspondant aux 10 % PCI de biocarburants pour le transport routier, dicte par la directive europenne 2009/28/EC, qui est attendue. Par ailleurs, le transport arien qui va tre trs prochainement confront aux contraintes des marchs CO2 envisage l'utilisation de biocarburants : un objectif de 10 % en 2020 pourrait tre avanc. Verrous et questions de recherche Certaines molcules aux caractristiques attractives n'ont pas encore merg et une rflexion importante mrite d'tre mene afin de savoir si ces molcules peuvent tre produites partir de biomasse ou bien peuvent rsulter d'une chimie verte. Des structures attrayantes sont attendues soient en tant que bases, soient en tant qu'additifs : Les thers autres que ceux dj cits Les esters Les actals Les ctones Les furanes Il faut explorer des voies combinant procds biotechnologiques et/ou chimiques pour relier ces structures et les sources de biomasse conventionnelles et nouvelles (algues, Jatropha par exemple). 3.1.2. Chimie et synthons Les trois sources de carbone fossile alimentent doublement lindustrie chimique en nergie pour les procds et en base carbone pour constituer le squelette des molcules. Le besoin en nergie pour la chimie est consubstantiel aux ractions mises en uvre haute temprature et aux changements de phase associs. Il convient de souligner quune partie de la chimie repose sur dautres atomes : silicium, soufre, sels, mtaux, azote, etc. Les produits chimiques, hors nergie, sont issus de 132 Mtep de gaz naturel, 363 Mtep de ptrole et 4 Mtep de charbon, auxquels il faut rajouter 235 Mtep dans lindustrie et 114 Mtep dans les productions lectriques et nergtiques (source AIE). Lindustrie chimique reprsente ainsi environ 500 Mtep

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utilises annuellement comme matires premires, soit 9 % de la demande mondiale de ptrole, 3 % de la demande en gaz et seulement 0,1 % de la demande en charbon. Les asphaltes ne sont pas considrs dans cette analyse. En 2009, le chiffre d'affaires de la chimie au niveau mondial a t estim 1 320 milliards d'euros, dont 0,5 % en chimie fine, 21 % en polymres, 33 % en spcialits chimiques et 42 % en intermdiaires (HCCA Haut Conseil de la Coopration Agricole Section conomique 2009). Lindustrie chimique dispose dune large gamme de produits de base partir desquels sont produites des molcules complexes (aldhydes, ctones, amines, molcules polyfonctionnelles, etc.) et des intermdiaires de synthse qui conduiront aux produits finis. Une grande diversit caractrise les structures utilises. Il existe un grand nombre de molcules rcurrentes dans l'industrie chimique qui sont appeles synthons, dont un grand nombre pourrait tre produit partir de biomasse. A linverse des carburants, la stratgie technologique des chimistes est divergente : partir du nombre le plus faible de synthons, comment couvrir la gamme des produits chimiques attendus ? Dans les annes 90, les 50 produits plus fort tonnage de production (USA, 1991) prsents dans le tableau 6, soulignent la diversit des structures. La situation est assez voisine aujourd'hui. Les composs carbons sont en gras. Tableau 6 : produits chimiques classs par tonnage de production (USA, 1991)

1 Acide sulfurique 18 CO2 35 Oxyde de propylne 2 Azote 19 Mthyltertiobutylther 36 Phnol 3 Ethylne 20 Ethylbenzne 37 Butadine 4 Oxygne 21 Styrne 38 Noir de carbone 5 Ammoniac 22 Mthanol 39 Acrylonitrile 6 Chaux 23 Acide trphtalique 40 Actate de vinyle 7 Acide phosphorique 24 Tolune 41 Sulfate dammonium 8 Soude 25 Formaldhyde 42 Cyclohexane 9 Chlore 26 Xylnes 43 Oxyde de titane 10 Propylne 27 Acide chlorhydrique 44 Actone 11 Carbonate de sodium 28 p-xylne 45 Silicate de sodium 12 Ure 29 Oxyde dthylne 46 Acide adipique 13 Acide nitrique 30 Ethylne glycol 47 Sulfate de sodium 14 Nitrate dammonium 31 Sulfate dammonium 48 Alcool isopropylique 15 1,2 dichlorothane 32 Cumne 49 Chlorure de calcium 16 Benzne 33 Potasse 50 Caprolactame 17 Chlorure de vinyle 34 Acide actique Le Dpartement amricain de lnergie (DoE) a pilot plusieurs tudes, avec des rapports parus entre 2004 et 2008, concernant l'analyse de synthons potentiellement accessibles partir de biomasse. Certains de ces rapports23,24 constituent dexcellentes rfrences qui l'heure actuelle restent incontournables. Notons cependant que cette approche ne doit pas fermer le champ des possibles aux seules connaissances actuelles : de nouveaux synthons peuvent aussi conduire des produits

23 Werpy, T., and G. Petersen. 2004. Top Value Added Chemicals from Biomass: Volume I - Results of Screening for Potential Candidates from Sugars and Synthesis Gas. Pp. 76: U.S. Department of Energy. 24 Bozell, J.J., J.E. Holladay, D. K. Johnson, and J.F. White. 2007. Top Value-Added Chemicals from Biomass Volume II - Results of Screening for Potential Candidates from Biorefinery Lignin Pp. 87: U.S. Department of Energy; Northwest National Laboratory (PNNL); National Renewable Energy Laboratory (NREL).

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valoriss sur de nouveaux marchs. Par exemple, il est possible dobtenir partir des lignines une grande diversit de composs aromatiques complexes dont la structure est trs proche de celle des monomres de lignines, et qui sont difficiles produire par les voies classiques de la ptrochimie. Les applications de tels composs doivent encore tre dveloppes, mme si pour les chimistes, lintrt de tels synthons dans sa boite outils ne fait aucun doute. Ces questions tant considres comme relevant du domaine comptitif par les industriels, il ny a pas eu de ractualisation collective de ces travaux au niveau de lARP. A titre dillustration des travaux mens par le DoE partir dun inventaire de plus de 300 molcules dintrt susceptibles dtre produites partir des sucres ex-biomasse, une premire slection a permis de choisir les molcules listes dans le tableau 7, suivie dune seconde slection menant au choix de 30 molcules prsentes selon une classification par nombre datome de carbone. Tableau 7 : Top 30 de l'tude du DoE (Werpy et Peterson25)

Nombre datome de carbone

Molcules considres

1 monoxyde de carbone en mlange avec lhydrogne (syngas) 2 aucun 3 glycrol, acide hydroxypropionique, acide lactique, acide malonique, acide

propionique, acide succinique, thronine 4 actone, acide aspartique, acide fumarique, 3-hydroxylactone, acide malique, acide

succinique, thronine 5 arabinitol, furfural, acide glutamique, acide itanonique, acide lvulinique, proline,

xylitol, acide xylonique 6 acide aconitique, acide citrique, acide dicarboxylique 2,5 furanique, acide

glucarique, lysine, lvoglucosane, sorbitol Les acides gras ne sont pas cits dans ce tableau et mritent largement dtre intgrs dans le rcapitulatif des molcules dintrt. Dans la suite de ce document, les diffrentes substances dintrt pour lindustrie chimique et le secteur de lnergie seront abordes par leurs proprits physiques sur la base de leurs contributions existantes ou potentielles aux fonctions dusage, en vue de satisfaire les besoins matriels de la socit (Figure 4).

25 Werpy, T., and G. Petersen. 2004. Top Value Added Chemicals from Biomass: Volume I - Results of Screening for Potential Candidates from Sugars and Synthesis Gas. Pp. 76: U.S. Department of Energy.

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Figure 4 : correspondance proprits dusage et proprits physico-chimiques pour les produits issus du carbone renouvelable. 3.1.3. Matriaux Ce terme dsigne ici des matires capables dapporter des proprits physiques et slectionnes en vue dun usage dfini. Les proprits mcaniques ont reu le plus dattention. Les proprits chimiques (tenue aux solvants, rsistance lhydrolyse, au vieillissement sous UV, odeur, etc.) et les proprits dusage seraient galement prendre en compte (tenue au feu, proprits dilectriques, etc.) De mme, il serait ncessaire que le moulage des matriaux issus de la biomasse soit compatible avec les outillages et procds existants. On peut envisager une variante dans lorigine des matires premires, mais il est beaucoup plus difficile denvisager un complet remaniement de loutil industriel cause des cots dinvestissement majeurs qui seraient engendrs. Les principaux dterminants de la structure d'un matriau ses diffrentes chelles et donc de ses proprits mcaniques, sont ses lments constitutifs et leur organisation, en particulier le niveau microstructural, tel quil rsulte des procds de mise en forme. Les principales classes de matriaux sont les mtaux, les cramiques, les polymres et les matriaux naturels. Seuls seront considrs dans ce chapitre les polymres et les matriaux naturels qui peuvent tre produits partir de carbone renouvelable. Les matriaux base de carbone renouvelable ont gnr des dnominations que lon peut classer ainsi : Polymres bio-sourcs : polymres dont le monomre est issu de ressources renouvelables. Biopolymres : polymres naturels dont la ressource est renouvelable. Matriaux biosourcs : terme gnrique englobant tous les matriaux dorigine biologique, polymres et composites.

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Agromatriaux : matriaux majoritairement dorigine agricole. Biodgradable : substance qui peut, sous l'action d'organismes vivants, se dcomposer en lments divers dpourvus d'effet dommageable sur le milieu naturel (dfinition selon la norme EN 13432). Il convient de souligner que lorigine biologique dun matriau base de carbone renouvable ne prjuge nullement de sa biodgradabilit, des modifications chimiques intenses ou dune encapsulation physique pouvant bloquer toute possibilit de biodgradation. Inversement des polymres issus du carbone fossile peuvent prsenter ce comportement. 3.1.3.1. Les polymres Les polymres issus des drivs du ptrole sont souvent appels rsines. Les produits finaux (films, objets tridimensionnels, etc.) rsultent de la combinaison dun ou plusieurs polymres ou additifs, ensuite prpars dans une forme dfinitive (do lappellation plastiques). Les additifs en science des polymres concernent les composs ajouts au mlange initial de polymres pour en modifier les proprits. Deux difficults importantes pour apprhender les proprits dusage dun polymre, lies aux proprits finales, sont la forte influence (i) de la structure molculaire (distribution des masses, linarit, prsence de substituant, (ii) des plastifiants, adhsifs et autres additifs incorpors. Par exemple, le polythylne (PE) va rpondre des applications simples, comme les sacs provisions jetables, mais aussi les canalisations souterraines de gaz et deau avec le PE de densit moyenne MDPE, et enfin les prothses avec le polythylne appel High Molecular Weight UHMWPE. Lemploi des additifs est rexamin actuellement avec la mise en uvre de la directive REACH. Parmi les principaux polymres utiliss, le PVC, dont le prcurseur est un monomre class CMR, se prte un incroyable ventail d'applications (emballages, isolation, vtements,...). Les autres polymres auront des proprits adaptes des cibles plus troites : la rsistance mcanique, la conductivit lectrique, l'lectro-fluorescence, la stabilit thermique, etc. Les lastomres prsentent un comportement lastique sans aucune plasticit : ils supportent de trs grandes dformations avant rupture. Ces matriaux lastomres, comme les pneumatiques, sont souvent base de caoutchouc naturel et de caoutchouc synthtique. Les lastomres d'usage gnral, insaturs, sont le caoutchouc naturel (de sigle NR) issu du latex collect dans les plantations d'hvas, le naturel synthtique ou polyisoprne synthtique (IR) trs voisin du NR, le polybutadine (BR) et le styrne-butadine (SBR) (copolymre). Les lastomres sont gnralement thermodurcissables, aprs de faibles rticulations des polymres. Lemploi dagents de rticulation (soufre pour la vulcanisation, peroxydes,...) est la cl de cette rticulation dont la matrise est essentielle pour assurer la longvit du comportement lastique. A ces applications o un seul polymre est prsent, il faut ajouter les alliages o deux polymres sont intimement mlangs, les composites avec deux ou plusieurs phases macroscopiques. Le matriau composite est un assemblage d'au moins deux matriaux non miscibles, dont les phases vont fortement interagir (adhsion) en gnral avec des additifs. Le nouveau matriau ainsi constitu possde des proprits que les lments seuls ne possdent pas. Lincorporation de fibres (verre, acier ou cellulose) est une voie classique pour amliorer la tenue mcanique. Outre les proprits dusage des polymres, un certain nombre de caractristiques nouvelles sont recherches, en rponse aux attentes socitales et industrielles. Les exigences relatives linnocuit des matriaux et additifs se trouvent renforces par la rglementation REACH. Cette question de la toxicit vaut autant pour les plastiques dorigine

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ptrochimique que pour les plastiques issus de la biomasse. Utiliser par exemple des plastifiants dorigine vgtale pour flexibiliser un PVC reste une opration trs difficile valoriser au plan environnemental. Il en est de mme pour lajout dune matrice issue de bio-ressources dans un composite mettant profit du styrne monomre. Une conscience cotoxicologique reste trs utile pour le dveloppement des bio-plastiques. Ladoption dune dmarche dco-conception et la rglementation (directives 2000/53/CE, 2004/12/CE, 2005/32/CE,...) incitent galement prendre en compte la gestion des produits en fin de vie. La recyclabilit et la rutilisation pour des plastiques de seconde gnration doivent tre pris en compte. Industriellement parlant, ces questions sont dactualit et font partie des lments de dcisions. Les proprits de biodgradabilit doivent tre recherches chaque fois que la fin de vie dun produit ne peut rentrer dans un contexte de filire, avec un risque dabandon dans un cosystme. Notons toutefois que pour certains secteurs comme llectrotechnique, des biopolymres non biodgradables sont demands pour des applications durables avec une exigence de recyclabilit en fin de vie. Le march des polymres est actuellement domin par 5 familles de produits : polythylne (60 %), polypropylne, polyvinylchloride (15 %), polystyrne (7 %) et polythylne trphtalate (8%). En Europe, les principaux secteurs concerns sont lemballage (38 %), lhabitat (tuyaux et gaines, 21 %), les transports (7 %), llectronique et llectricit (6 %). Depuis 1950, le taux de croissance annuel est de 9 %. La production totale est passe de 1,5 millions de tonnes en 1950 245 millions de tonnes en 2008. Le recyclage et la valorisation nergtique reprsentent respectivement 21,3 % et 30 % dans lUE27. Le recyclage mcanique pose des problmes de contaminations chimiques croises. En revanche le recyclage chimique, par dcomposition en monomre ou au-del (pyrolyse, hydrognation, gazification et cracking thermique) est en cours de dveloppement malgr des cots dindustrialisation importants. La biodgradabilit est de ce fait recherche. Les biopolymres ne reprsentent que 0,5 % de lensemble de ce march lchelle mondiale, soit 500 000 tonnes/an en 2005, partir de lamidon, de la cellulose, du PHA (polyhydroxyalcanoate) et du PLA (acide polylactique) (Festel Capital ; Plastics Europe - Association of Plastics Manufacturers). Les principales filires de production de matriaux biosourcs peuvent tre dcrites comme suit : Les plus accessibles, lamidon et la lignocellulose initiale ou transforme. La filire des protines. La filire des lastomres. La filire des composites , par exemple des combinaisons ptrochimie/biopolymre (PE/amidon) ou polymre biodgradable synthtique/biopolymre. La production des bioplastiques qui pourrait tre initie partir de matire vgtale classique (amidon, fibres, huiles). Des matriaux issus de monomres drivs de la biomasse peuvent aussi s'inscrire dans cette catgorie. Cest le cas de lacide polylactique qui rsulte de la polymrisation strictement chimique de lacide lactique biologique. Notons que tous les polysaccharides lexception de la cellulose, et toutes les protines ont un comportement thermoplastique. Les principales proprits considres sont le module de traction, les conductivits lectrique et thermique, la sensibilit leau, la porosit et la permabilit. A ce jour, les applications courantes de la biomasse sont les suivantes : Des applications traditionnelles telles que la production de papier, de tissus, dhuiles poxydes, de rsines, dadditifs, etc. Ces applications sont aujourdhui bien tablies sur leurs marchs.

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Les principaux utilisateurs de ces matriaux biosourcs sont les mtiers de lemballage (37 %), le secteur domestique (sport, loisir, sant, mobilier : 21 %), le BTP (19 %), llectronique et linformatique (7 %), lautomobile (7 %), lindustrie lourde (5 %) et lagriculture (3 %). Des applications sur le march des plastiques, dont 40% des volumes sont ddis lemballage (films, sacs, barquettes, filets, restauration rapide, mdecine, automobile, chips de calage, etc.). En 2002, les polymres biodgradables reprsentaient 0,17 % de ce march des matires plastiques au niveau mondial, 87 % de ces polymres tant issus de ressources renouvelables. Les bioplastiques semblent correspondre un march de niche mais pourraient avoir un potentiel de dveloppement important. Des applications dans la filire bois pour la production de profils de fentres, de murs anti-bruit, de panneaux de signalisation. Utilisation de drivs de la farine de bois / PE / PP / PVC ou de fibre de bois / Ciment / pltre. Des applications dans la filire fibres bien que ces fibres soient moins rsistantes que le verre (1/10) ou le carbone (1/500). Leurs caractristiques acoustiques et thermiques sont intressantes. Pour certaines de ces utilisations le caractre biodgradable peut tre un atout. Les principaux avantages lis lemploi de polymres issus de la biomasse sont : La dfossilisation de la filire technologique. Pour certaines classes de biopolymres, des performances leves en matire dhydrophobicit, de permabilit aux gaz. Le caoutchouc issu de lhva prsente de meilleures proprits dlasticit et de rsilience que le caoutchouc synthtique. La biodgradabilit pour les usages sans modification chimique ultrieure ou mlange intime avec un polymre non biodgradable. Toutefois, ce point n'est pas toujours identifi comme un avantage. Certains biopolymres montrent une rsistance au feu intressante. Verrous et questions de recherche Les problmes rencontrs sont : La sensibilit leau, entrainant une (bio)dgradation ou fragmentation par hydrolyse. Pour des applications de longue dure, la biodgradabilit des matriaux nest pas ncessairement une qualit recherche : - Etablir les relations entre les structures chimiques et ultrastructures composites, lamellaires, alliages et les mcanismes dhydratation. - Des performances mcaniques moindres que celles des polyolfines, en particulier concernant la rsistance aux chocs, au v