BIO-RAFFINERIE, CHIMIE VERTE - et BIO-ÉCONOMIE Guillaume BOISSONNET - Grenoble INP ...
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BIO-RAFFINERIE,
CHIMIE VERTE
et BIO-ÉCONOMIE
Guillaume BOISSONNET
Equipe Biomasse CEA Grenoble
guillaume.boissonnet@cea.fr
Journée scientifique du CODEGEPRA
17 Novembre 2016
Grenoble INP-Pagora / LGP2- Campus de Saint Martin d’Hères
UN PEU DE TERMINOLOGIE…
…QUELQUES DÉFINITIONS
BIO-RAFFINERIE ?
BIO-RAFFINERIE ?
• ADEME
Ensemble industriel, localisé sur un même site, qui traite et raffine les
produits de la biomasse, (analogie avec les raffineries pétrolières)
• IEA
Unité industrielle de conversion durable de la biomasse en un
ensemble de produits commerciaux et en énergie.
• DOE (US Department of Energy)
Concept global d'une usine de transformation où les matières
premières de la biomasse sont converties et extraites dans une
gamme de produits commerciaux
• NREL (National Renewable Energy Laboratory)
Installation qui intègre les procédés et l'équipement de conversion de
la biomasse pour produire des combustibles, de l'énergie et des
produits chimiques issus de la biomasse
Journée scientifique du CODEGEPRA - 17 Novembre 2016 | 4
BIO-RAFFINERIE
• TRES GENERAL
Biomasse
Conversion
Produits commerciaux : combustibles, carburant produits chimiques,
énergie
• OU PLUS RESTREINT
Pôle IAR : transformation des agro-ressources (dont blé, betteraves,
colza, pomme de terre, protéagineux, orge, luzerne) à des fins
alimentaires, énergétiques et matériau
Que peut-on inclure ?
Journée scientifique du CODEGEPRA - 17 Novembre 2016 | 5
CHIMIE VERTE ?
CHIMIE VERTE ?
LES 12 PRINCIPES DE LA CHIMIE VERTE
• 1998 : Anastas et Warner 12 principes de base pour
substitution à la chimie du fossile.
1. Prévention : éviter de produire des déchets
2. Économie d’atomes : synthèses plus efficaces
3. Synthèse moins dangereuse : utiliser et produire des substances peu
ou pas toxiques pour l’homme et l’environnement
4. Produits chimiques plus sûrs : moins toxiques même propriétés
5. Solvants et auxiliaires moins polluants
6. Recherche du rendement énergétique : conditions de température et
de pression ambiantes si possible
7. Ressources renouvelables
8. Réduction du nombre de dérivés
9. Catalyse : sélectivité et meilleurs rendements (quid de la toxicité ?)
10. Produits biodégradables
11. Observation en temps réel en vue de prévenir la pollution
12. Fiabilité : moindre toxicité, éviter accidents, émanations dangereuses,
explosions et incendies
Journée scientifique du CODEGEPRA - 17 Novembre 2016 | 7
CHIMIE VERTE ?
LES 12 PRINCIPES DE LA CHIMIE VERTE
• Toutes les applications sont-elles couvertes ?
12 principes chimie des molécules
Recyclabilité et recyclage non mentionnés
• Cas des matériaux synthétique bio-sourcés
Durables ou Dégradables ? Antagoniste
On recherche des matériaux aux propriétés constantes dans le temps
(solidité…)
Quid du caractère bio-dégradable ?
• Intégrer un 13ème principe
Durabilité des matériaux
Caractère recyclable des matériaux
Journée scientifique du CODEGEPRA - 17 Novembre 2016 | 8
CHIMIE VERTE ?
UNE CHIMIE DOUBLEMENT VERTE (GARNIER ET NIEDDU )
• Constat
Pour remplacer le carbone fossile en chimie carbone renouvelable
chimie du végétal
• Premier effet
Usage de végétaux matière première renouvelable
• Deuxième effet
Respectueuse de l’environnement, en terme de risques chimiques, afin
d’être vraiment « soutenable », écologiquement, socialement,
technologiquement et économiquement
Chimie verte = substitution du fossile / végétal renouvelable
Attention au Green Washing : « vert » ne veut pas dire propre
Journée scientifique du CODEGEPRA - 17 Novembre 2016 | 9
BIO-ÉCONOMIE ?
BIO-ÉCONOMIE ?
• 1925 T. I. Baranoff (biologiste russe)
approche économique des comportements biologiques ou gestion des
ressources naturelles selon certains principes de l’économie.
• 1971 Nicholas Georgescu-Roegen : « The Entropy Law and the
Economic Process »
Processus économiques proches de biologie et thermodynamique VS
mécanique (théorie néoclassique)
Economie et nature interdépendants contraintes de la nature
incluses dans l'activité économique.
Années 70 : conception de l’économie comme, extension de
l'évolution biologique des communautés humaines.
• Bio-économie rapprochement de l'économie et l'écologie
Notion de finitude du monde
• France 2016 : accent sur l’économie
« rassemblement des activités de production et de transformation des
bio-ressources pour la production durable de biens alimentaires, de
molécules, de matériaux, d'énergie et de services écosystémique »
Journée scientifique du CODEGEPRA - 17 Novembre 2016 | 11BIO-ÉCONOMIE ?
ECONOMIE CIRCULAIRE
Journée scientifique du CODEGEPRA - 17 Novembre 2016 | 12BIOMASSE ?
QU’EST-CE QUE LA BIOMASSE ?
• Écologie
Ensemble des les espèces vivantes présentes sur la Terre
• Énergie
Directive 2003/30/CE du Parlement Européen et du Conseil du 8 mai
2003 : « Fraction biodégradable des produits, déchets et résidus
provenant de l’agriculture […], de la sylviculture et de ses industries
connexes, ainsi que la fraction biodégradable des déchets industriels
et municipaux »
Ensemble des matières organiques pouvant devenir des sources
d'énergie : VEGETAUX
• Les végétaux : un large éventail de caractéristiques
Captent, transforment et stockent l’énergie solaire en matière
CxHyOz + cendres
Humidité variant de 20 à 95% sur masse totale
Densité énergétique modérée : 18 à 20 MJ/kg de matière sèche
contre 40 à 45 pour le pétrole
Production saisonnière et dispersée temps de pousse limitant
Coûts de collectage, stockage, transport élevés
Journée scientifique du CODEGEPRA - 17 Novembre 2016 | 14QU’EST-CE QUE LA BIOMASSE
(CHIMIE, ÉNERGIE, MATÉRIAUX) ?
Biomasse sèche ou lignocellulosique Biomasse humide
Produits de
Bois l’agriculture
(bûches, granulés, plaquettes…) traditionnelle
(betterave, canne à sucre)
Sous-produits de
Sous-produits du bois l’industrie
(branches, écorces, sciures,
palettes…) (boues issues de la pâte à
papier, pulpes de raisin…)
Produits de
Résidus agricoles l’agriculture
(pailles…) traditionnelle
(céréales, oléagineux)
Plantations énergétiques Déchets organiques
(miscanthus, peuplier…) (boues d’épuration, ordures
ménagères, fumier…)
Algues et micro-algues
Journée scientifique du CODEGEPRA - 17 Novembre 2016 | 15UN PEU D’HISTOIRE…
DE LA PRÉHISTOIRE…
Source : Eco-emballage
| 17A L’ÈRE INDUSTRIELLE
ÉCONOMIE DE L’EXTRACTION À PARTIR D’UN STOCK FOSSILE
Source : Eco-emballage
| 18QUELLES TRANSFORMATIONS POSSIBLES ?
Premier usage
Matière Première Conversion Produit Service
Première transformation
Biomasses sèches
(bois, cultures Combustion Chaleur
énergétiques) Réseau chaleur
Cogénération
Gaz de
Gazéification
Industries bois 2G Déchets bois synthèse
diverses (Bois en fin de vie)
Huiles
Pyrolyse
Déchets secs Slurry
Industries et
(industriels, Electricité
collectivités
ménagers)
Granulés
Torréfaction
solides
Biomasses humides
3G (algues, microalgues)
Hydrothermal
Condensats
Supercritique
Industries (agricoles, Déchets humides Carburants
papetières…) et (fruits, déjections
collectivités animales, boues) Bio-
Biogas
méthanation
Biomasses
oléagineuses
Extraction
(tournesol, colza) Biodiesel
Esterification
1G Produits
chimiques
Biomasses sucrières
(betterave, cannes, Fermentation
Bioethanol
blé, maïs) alcoolique
Journée scientifique du CODEGEPRA - 17 Novembre 2016 | 19AU XX° SIÈCLE
Gilles Lefebvre et Alain Chauvel. « Tableau simplifié de la concurrence. Pétrochimie, carbochimie, agrochimie ». Techniques de l’Ingénieur. 1991
Journée scientifique du CODEGEPRA - 17 Novembre 2016 | 20LE CONCEPT DE BIO-RAFFINERIE
• Concept de bio-raffinerie : émergence fin des années 1990
• Prise de conscience
Ressources fossiles non renouvelables
Impact sur l’effet de serre
• Réflexion sur les méthodes de substitution du fossile par le
végétal
• En réalité bio-raffineries déjà existantes
Chimie du végétal
Cosmétique
Production d’agro-carburants.
• « En France on n’a pas de pétrole, mais on a des idées »
Crises pétrolières de 1973 et de 1979
1970-1980 : Substitution carburant éthanol et diester
Retour du pétrole bon marché fin des initiatives nouvelles
Journée scientifique du CODEGEPRA - 17 Novembre 2016 | 21LE TERME « BIO-RAFFINERIE »
• 1997 : première utilisation du terme
« Grüne Bioraffinerie» par B. et M., Kamm et K. Soyez
• Années 2000 : essentiellement biocarburants (notion floue)
Biocarburants de 1G (éthanol ou biodiesel), 2G (thermochimie biomasse
lignocellulosique) et 3G (algues, micro-algues).
Puis agroressources (alimentaires, chimie, matétiaux)
• Milieu 2000 2010
Différents domaines du végétal (bois, m-algues, sous-produits, déchets)
Domaine papetier
Journée scientifique du CODEGEPRA - 17 Novembre 2016 | 22FAMILLES
• 1ère génération
Réf. à EtOH et biodiesel
• 2ème génération
Réf. à Thermochimie
• 3ème génération
Diverses biomasses en
entrée
Agro-ressources, ressources
forestières, résidus et sous-
produits
Variété de produits
Journée scientifique du CODEGEPRA - 17 Novembre 2016 | 23TYPES DE BIO-RAFFINERIES
LA BIO-RAFFINERIE « IDEALE »
| 25CLASSEMENT POSSIBLE
1. Bio-raffineries le sucre et l’amidon (exemple Bio-raffinerie du
blé et des glucides
2. Production l’éthanol à partir de sucres (betterave, céréales,
canne à sucre)
3. Production d’huiles végétales (colza par exemple)
4. Conversion thermochimique de la biomasse lignocellulosique
5. Usines de pâte à papier et chimie du bois et extensions
6. Chimie des dérivés du pin
7. Biogaz
8. Culture des algues et microalgues et valorisation
9. Valorisation des sous-produits humides de l’agriculture
10. Conversion des déchets (bois souillés, déchets ménagers …)
Problème : en séparant, on réduit le concept
Journée scientifique du CODEGEPRA - 17 Novembre 2016 | 26BIO-RAFFINERIE AGRO-RESSOURCES BAZANCOURT-POMACLE
BIO-RAFFINERIE
BAZANCOURT-POMACLE (POLE IAR)
Source : ard
Journée scientifique du CODEGEPRA - 17 Novembre 2016 | 28BIO-RAFFINERIE
BAZANCOURT-POMACLE (POLE IAR)
Source : ard
Journée scientifique du CODEGEPRA - 17 Novembre 2016 | 29BIO-RAFFINERIE
BAZANCOURT-POMACLE (POLE IAR)
INTÉGRATION MATIÈRE
Source : ard
Journée scientifique du CODEGEPRA - 17 Novembre 2016 | 30PROJET FUTUROL
Source : IFPEN
Journée scientifique du CODEGEPRA - 17 Novembre 2016 | 31PROJET FUTUROL
Source : IFPEN
Journée scientifique du CODEGEPRA - 17 Novembre 2016 | 32Source : IFPEN
Journée scientifique du CODEGEPRA - 17 Novembre 2016 | 33BIO-RAFFINERIE LIGNO- CELLULOSIQUE BIOMASS TO LIQUID
PROJET BIOTFUEL
R&D Bailleurs de licences & ingénierie Producteurs de carburants
De la R&D au marché,
Du champ à la roue
TK-IS TK-IS
Poltor Prenflo PDQ
IFPEN-Axens-ENI
GaselTM
IFPEN-Prosernat-Total
AdvaminesTM
Source : IFPEN
Journée scientifique du CODEGEPRA - 17 Novembre 2016 | 35PROJET BIOTFUEL
• Budget : 180 M€
• 2 sites de démonstration
• 2010-2019
Torréfaction Gasifier WGS AGR FT
Demonstration
Lab
o
FT
3 t/h
15 MWth 200-1000 Nm3/h litre
Sofiproteol Compiègne-Venette Total RM France – Site des Fandres
Unités de démonstration à plusieurs échelles
Source : IFPEN
Journée scientifique du CODEGEPRA - 17 Novembre 2016 | 36PROJET BIOTFUEL : CHAINE DE PROCÉDÉ
Source : IFPEN
Journée scientifique du CODEGEPRA - 17 Novembre 2016 | 37INSTALLATIONS ACTUELLES OU EN
CONSTRUCTION AU CEA GRENOBLE
CEA Grenoble Plate-formes, Démonstrateurs
Flux Entraîné Synthèse
EQUIPEX Purification
ANACONDA
GENEPI
Syndièse Gazéification
BIOMAP GIROFLE BioTfueL
ATG
Préparation
TORNADE CENTORRE
Lit fluidisé Synthèse
PARASOL Purification
PEGASE
PYRATES Gaya Gazéification
ATG
LFHT
Préparation
Hydrothermal Liquéfaction
APHRODITE
1 g/h 1 kg/h 50 kg/h 100 kg/h 3 t/h 10 t/h Capacité
installation
Journée scientifique du CODEGEPRA - 17 Novembre 2016 | 38BIO-RAFFINERIES PAPETIÈRES
INDUSTRIE CELLULOSE AUJOURD’HUI
Christine Chirat, « La ressource lignocellulosique : sa diversité en composition chimique. Exemples de conversion de la biomasse en bioproduits et biomatériaux dans des
bioraffineries intégrées à des usines de production de cellulose ». Séminaire Conversion thermochimique de la biomasse et des déchets, Lyon - 1er / 2 février 2016
Journée scientifique du CODEGEPRA - 17 Novembre 2016 | 40BIO-RAFFINERIE LIGNO-CELLULOSE DEMAIN
Source : Christine Chirat Pagora
Christine Chirat, Op. Cit.
Journée scientifique du CODEGEPRA - 17 Novembre 2016 | 41UPM - LAPPEENRANTA
ETAPE 1 (DÈS 2014) TAL OIL HYDROTRAITEMENT
Journée scientifique du CODEGEPRA - 17 Novembre 2016 | 42UPM - LAPPEENRANTA
Journée scientifique du CODEGEPRA - 17 Novembre 2016 | 43UPM - LAPPEENRANTA
ETAPE 2 : BOIS BTL
Journée scientifique du CODEGEPRA - 17 Novembre 2016 | 44METSÄ GROUP - ÄÄNEKOSKI MILL
SYNERGIE PRODUITS FORESTIERS
Journée scientifique du CODEGEPRA - 17 Novembre 2016 | 45METSÄ GROUP - ÄÄNEKOSKI MILL
Journée scientifique du CODEGEPRA - 17 Novembre 2016 | 46METSÄ GROUP - ÄÄNEKOSKI MILL (OCT. 2015)
Journée scientifique du CODEGEPRA - 17 Novembre 2016 | 47METSÄ GROUP - ÄÄNEKOSKI MILL
UNITÉ DE VALORISATION DE CO-PRODUIT (MONTAGE PHOTO)
Journée scientifique du CODEGEPRA - 17 Novembre 2016 | 48PLUS PRÈS DE NOUS
• Axes de recherche de Pagora
• Post-master Biorefinery
• 2015 : groupe de travail Biorefinery, dans la Division 5 (Forest
Products) de l’IUFRO (International Union of Forest Research
Organizations)
• Juin 2016 (Autrans), 14ème « European Workshop on
Lignocellulosics and Pulp » (EWPL) dont les sujets initiaux ont
été élargis aux bio-raffineries
Journée scientifique du CODEGEPRA - 17 Novembre 2016 | 49QUESTIONS SUR LES BIO-RAFFINERIES
LES GRAND ENJEUX ET QUESTIONS
• Ressources / Produits
Substitution fossile Quantités ? Substitution à 100% ?
Quelle biomasse, quelle souplesse ?
Quelles filières de production et d’approvisionnement ?
Quels produits peut-on obtenir ?
• Technologies
Quelles transformations ?
Quelles technologies ?
Quelles performances ?
Optimise-t-on des flux à l’intérieur ? Synergie interne multi-ressources ?
• Territoires et acteurs ?
Synergies avec les territoires ? Rapprocher forêt et agriculture
Qui est actif ? Dans quel secteur et dans quel pays ?
Pourquoi certains y croient ?
Pourquoi certains n’y croient pas ?
• Questions non technologiques
Respect des écosystèmes ? Chimie doublement verte ?
Les limites et solutions ne sont-elles que techniques ?
Quel est l’apport d’une démarche en lien avec les sciences humaines ?
Est-ce un effet de mode ? Y a-t-il un risque de promesses non tenues ?
Journée scientifique du CODEGEPRA - 17 Novembre 2016 | 51Vous pouvez aussi lire
