La chimie du végétal - Ceser Ile-de-FranceChimie du végétal Chimie verte du Carbone renouvelable...

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


• (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


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


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

ns d

’usa

ge: h

abill

emen

t, ha

bita

t,

tran

spor

t, hy

gièn

d …


- (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


La compétition de sourcing pour les molécules « phare »

GDF-Suez


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


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


L’analyse de cycle de vie pour appréhender la durabilité


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


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


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


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


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


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

Merci pour votre attention

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