Décryptages
Le raffinage de la biomasse végétale : biocarburants et chimie verte
De la même façon que le raffinage du pétrole conduit aux carburants, aux plastiques et à de nombreux produits chimiques, le traitement de la biomasse végétale, qui se développe en continu grâce à une recherche mondiale très active, débouche sur une large palette de produits, depuis les biocarburants jusqu’aux molécules à haute valeur ajoutée de la « chimie verte ».
Les plantes sucrières et oléagineuses, les céréales, les plantes amylacées (contenant de l’amidon), mais aussi le bois, les résidus agricoles, les plantes non comestibles ou les algues marines, fournissent ou sont susceptibles de fournir des produits dérivés d’un grand intérêt économique après un traitement adapté.
Ce « raffinageEnsemble des opérations industrielles permettant d'élaborer divers produits pétroliers (gaz, essences, fiouls, bitumes…) à partir de pétroles bruts. » de la biomasseDans le domaine de l'énergie, la biomasse se définit par l'ensemble des matières organiques d'origine végétale ou animale... végétale se déroule fondamentalement en deux étapes :
- la première est la transformation de la biomasse en sucres, en huiles ou en gaz ;
- la seconde est la transformation de ces sucres, huiles ou gaz en molécules intermédiaires, par des procédés de fermentationLa fermentation est la transformation de certains composés organiques sous l'action d'enzymes sécrétées par des micro-organismes... ou de thermochimie. Ces molécules permettent ensuite de construire des produits commercialisables : des carburantsUn carburant est un combustible liquide (comme l'essence), gazeux (comme le GPLc) ou solide (comme un propergol)... (bioéthanol, biodiesel, biokérosène), des lubrifiants, des plastiques, des caoutchoucs, des engrais, des cosmétiques, des médicaments. Les processus de fabrication permettent aussi de dégager des aliments pour animaux ou des compléments alimentaires riches en protéines pour l’homme.
On distingue quatre grandes filières de transformation, qui sont à des stades différents d’industrialisation : les plantes sucrières, les plantes oléagineuses, la ligno-cellulose des plantes et les micro-algues1.
La transformation des plantes sucrières et céréalières
Les plantes sucrières sont essentiellement la betterave ou la canne à sucre, les céréales sont celles riches en amidon, comme le blé ou le maïs. La première opération consiste à en extraire les sucres par « voie chimique douce » qui ne casse pas les molécules. Les sucres sont ensuite soumis à une fermentation sous l’effet de levures ou de micro-organismes modifiés génétiquement pour fournir des molécules très diverses utilisables pour la fabrication de produits dérivés, notamment le bioéthanol. Un hectare de blé ou de maïs produit 3 000 litres de bioéthanol, un hectare de canne ou de betterave autour de 7 000 litres. Le bioéthanol peut être mélangé à l’essence selon des taux variables. Cette transformation produit des résidus utilisables : la « bagasse » de la canne à sucre peut être utilisée comme combustibleUn combustible désigne tout composant ou matière solide, liquide ou gazeux susceptible de se combiner à un oxydant... , la « pulpe » des betteraves et les « drèches » des céréales servent à l’alimentation du bétail.
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La transformation des plantes oléagineuses
Le traitement de la biomasse végétale permet de produire des biocarburants et de nombreux produits de la « chimie verte ».
Cette voie utilise des plantes comme le colza, le tournesol, le soja ou le palmier à huile. Les huiles extraites sont soumises à un procédé chimique appelé estérification qui produit du biodiesel, lequel peut être mélangé au gazoleSynonyme de diesel et de gasoil. . La transformation du colza et du soja produit un résidu intéressant, les tourteaux, destinés à l’alimentation animale. Un hectare de colza fournit 1,3 tonne de biodiesel et 2 tonnes de tourteaux. Un hectare de tournesol fournit 0,7 tonne de biodiesel et 0,7 tonne de tourteaux. Le palmier à huile fournit 5 tonnes d’huiles par hectare mais aussi 17,5 tonnes de déchets solides (rafles) et liquides (effluents) qui commencent à être recyclés en engrais.
Les carburants (bioéthanol et biodiesel) issus de ces deux transformations ont été appelés « carburants de première génération », dont le développement industriel ne fait que commencer (Voir l'infographie : « Les filières classiques de production des biocarburants »).
La transformation de la ligno-cellulose des plantes
La ligno-cellulose, composée de lignine, d’hémicellulose et de cellulose, est présente dans la paroi des cellules de tous les végétaux. On la trouve donc dans des plantes non comestibles propices à une utilisation énergétique, comme le miscanthus ou « herbe à éléphant », le panic érigé ou switchgrass, les taillis de saule ou peuplier à courte rotation, ainsi que dans le bois et dans la paille.
Il existe aujourd’hui deux grandes filières, qui en sont encore au stade de la recherche :
- la filière biochimique « casse » la lignine pour libérer la cellulose et l’hémicellulose. La cellulose est transformée en glucose, c’est-à-dire en sucre, par hydrolyseL'hydrolyse d'un composé chimique est sa décomposition par l'eau sous l'action des ions H3O+ et OH- issus de la dissociation de l'eau. à l’aide d’enzymes. Par fermentation, puis distillation, on aboutit au carburant bioéthanol. Des recherches sont conduites pour utiliser un jour l’hémicellulose ;
- la filière thermochimique, appelée BtL (biomass to liquid ) concerne surtout le bois. Après pyrolyseLa pyrolyse (ou thermolyse) est la décomposition d'un composé organique par la chaleur, effectuée en l'absence d'oxygène ou en atmosphère pauvre en oxygène... ou torréfaction, celui-ci est gazéifié à haute température. On obtient un gaz de synthèse principalement composé d'hydrogèneL'hydrogène est l'atome le plus simple et le plus léger. C'est l'élément de très loin le plus abondant de l’univers. et de monoxyde de carboneLe monoxyde de carbone est l'un des oxydes du carbone, de formule CO... . Ce gaz peut ensuite être traité par diverses techniques, certaines relevant des biotechnologies, d’autres très anciennes comme le procédé Fischer-TropschProcédé chimique inventé en Allemagne en 1923, permettant la conversion de charbon ou de gaz en hydrocarbures liquides... inventé en 1923. Il est alors transformé en plusieurs composés utilisables (dont le gazole) et en un bio-kérosène de synthèse.
On parle communément de « deuxième génération » pour ces carburants issus de la ligno-cellulose dont le développement ne fait que commencer2 (Voir l'infographie: « La fabrication des biocarburants de « deuxième génération »»).
Il est à noter que certains procédés appartenant à cette deuxième génération ont déjà atteint un stade industriel : c’est le cas de l’utilisation d’huiles de friture usagées ou d’huiles résiduelles. Mais elles produisent aujourd’hui des quantités très limitées de carburants.
La transformation des micro-algues
1,3 tonne : la quantité de biodiesel produite à partir d’un hectare de colza
Certaines micro-algues sont capables de fabriquer des huiles qui conduisent à de nombreuses molécules utilisables en pharmacie, cosmétique, alimentation humaine et animale et pour les applications biocarburantsUn biocarburant est un carburant produit à partir de matières végétales ou animales... . Mais il faudra encore plusieurs années pour parvenir à une production de masse à un niveau de fiabilité suffisant et des coûts économiquement acceptables (Voir le décryptage « La transformation de la biomasse des micro-algues »).
Sources: