Pétrole et biomasseEssor de la bioraffinerie?

Dominique Lachenal

Pétrole et pétrochimie aujourd’hui

Production mondiale de pétrole brut, en 2010: 4 Milliards t

Les réserves de pétrole seraient de 300 milliards de tonnes (dont 150 d’exploitation difficile).Représentent 80 années

de production

(au rythme de 2007).

On anticipe qu’on assistera à une baisse de la production avant la moitié du siècle.On continuera à produire du pétrole bien au-delà de la fin du siècle.

Transport 43%Chauffage 43%Pétrochimie 10%Autre 4%

Utilisation du pétroledans le monde en 2010

Le secteur du transport dépend quasi exclusivement du pétrole. La pétrochimie n’utilise qu’une faible partie du pétrole

La très grande majorité des produits chimiques organiques nonalimentaires que nous utilisons (450Mt)

(hors biocarburants) sont

issus du pétrole et du gaz (exceptions: caoutchouc 10Mt, cellulose 5 Mt,acides gras, amidon, terpènes…)Les plastiques représentent en tonnage les principaux débouchés des produits de la pétrochimie. La production mondiale est d’environ

270 Mt

par an.

Les problèmes qui affectent sur le long terme la pétrochimie.

- Marché du pétrole erratique, augmentation des cours (la pétrochimie influe peu sur la demande)

- Utilisation accrue de gaz. Le développement du vapocraquage gaz réduit les disponibilités en oléfines lourdes)

-

Nécessaire limitation des émissions de GES, notamment du CO2

-

Demande accrue du consommateur en produits «

verts

», c’est-à- dire ceux dont l’empreinte carbone est réduite.

La biomasse végétale

(1)

Matière première abondante et renouvelable(2)

Matière première locale

(3)

Intérêt pour l’aménagement du territoire(4)

Meilleur bilan environnemental

Quelques chiffres:

Quantité

de biomasse végétale formée chaque année: entre 150 et 200 milliards de tonnes

(= réserves de pétrole aisément

extractibles)(cellulose 45%, lignine 25%, hémicelluloses 25%, amidon 3%, saccharose 0.2%, huiles 0.1%)Quantité

utilisée 6 milliards de tonnes (2/3 alimentation)

Quantité

annuelle supplémentaire mobilisable dans le cas d’une exploitation durable non en concurrence avec l’alimentaire (bois uniquement): entre 0.5 et 1 milliard de tonnes par an

Pétrole consommé: 4 Milliards de tonnes par anPétrole pour la chimie: 400 Mt par an

1 tep = 2.2 tonnes de bois sec

(1)Matière première abondante et renouvelable

La France ne consomme que 60% de l’accroissementLa France ne consomme que 60% de l’accroissementannuel de sa forêt qui est estimé à 100 Mt. annuel de sa forêt qui est estimé à 100 Mt. (à noter + 40000 ha chaque année)(à noter + 40000 ha chaque année)

Plusieurs dizaines de MtPlusieurs dizaines de Mtde bois supplémentaires pourraient être utilisées de bois supplémentaires pourraient être utilisées sans toucher à la taille de la forêt. Mais on pourrait sans toucher à la taille de la forêt. Mais on pourrait Certainement faire mieux par une volonté de développer Certainement faire mieux par une volonté de développer la filière bois.la filière bois.

Les quantités de plantes annuelles non utiliséesLes quantités de plantes annuelles non utiliséessont ellessont elles--aussi importantes bien que plus difficilementaussi importantes bien que plus difficilementmobilisables (pailles…).mobilisables (pailles…).

La France consomme La France consomme 80 Mt de pétrole80 Mt de pétrole

Nouveaux débouchésNouveaux débouchés--

frein à l’exode rural.frein à l’exode rural.

(2,3)Matière première locale et aménagement du territoire

Surface de la forêt

française

Le carbone émis en fin de vie est celui capté par la plante Le carbone émis en fin de vie est celui capté par la plante lors de sa croissance. lors de sa croissance.

L’utilisation de la biomasse peut être compatible L’utilisation de la biomasse peut être compatible avec un développement durable à différentes conditions:avec un développement durable à différentes conditions:--

empreinte carbone satisfaisante (intégrant l’approvisionnement empreinte carbone satisfaisante (intégrant l’approvisionnement

et le procédé)et le procédé)--

sauvegarde de la ressource et des terres cultivablessauvegarde de la ressource et des terres cultivables

--

respect de la biodiversitérespect de la biodiversité--

non concurrence alimentaire non concurrence alimentaire biocarburants aujourd’hui: amidon et

Mt), saccharose( 40Mt sur 150Mt) acides gras (20 Mt sur 150Mt),……

(4)Bilan environnemental

Caractéristiques de la Caractéristiques de la biomasse végétalebiomasse végétale

La constitution des plantes: réaction de photosynthèse:La constitution des plantes: réaction de photosynthèse:

x(COx(CO22)+ x(H)+ x(H22O) + énergie solaire → CO) + énergie solaire → CxxHH2x2xOOx x + xO+ xO22

Le sucre formé le plus abondant est le Le sucre formé le plus abondant est le glucoseglucose

O

H

HO

H

HO

H

H

OHH

H2C

OH

OH

O

H

HO

H

HO

H

OH

OHH

H2C

H

OH

α-Glucose

β-Glucose

Autres sucres synthétisés(présents dansles hémicelluloses)

Les sucres Les sucres éélléémentaires mentaires se polymse polyméérisentrisent

Des enzymes polymDes enzymes polyméérisentrisentle glucose en cellulose.le glucose en cellulose.n = 10000n = 10000

(40% de la biomasse)(40% de la biomasse)

Hémicelluloses (20 à

30% de la biomasse)( ici xylanes

de feuillus)

n = 50 –

150

Des groupes latéraux sont fixés égalementainsi que des groupes acétyles (Ac)

Suite de la biosynthèse de la plante:Suite de la biosynthèse de la plante:Biosynthèse de la lignine :Biosynthèse de la lignine :

Glucose → 3 alcools précurseurs des ligninesGlucose → 3 alcools précurseurs des lignines

CH

OH

HCCH

OH

HC

CH2OH

CH

OH

HC

CH2OH

OCH3 H3CO OCH3

CH2OH

alcool trans-p-coumarylique

alcool trans-coniferylique

alcool trans-

sinapylique

Structure simplifiée

de la ligninede résineux

SoftwoodsBois résineux

HardwoodsBois feuillus

Monocotyledons(pailles…)

Cellulose 43 45 42

Hemicelluloses-Glucomannanes-Xylanes

28169

34525

40033

Lignine 29 21 17

Composition chimique des plantes en % (hors extraits: Composition chimique des plantes en % (hors extraits: résines, tannins…)résines, tannins…)

Cellulose, hémicelluloses et lignine sont les produitsles plus répandus dans la nature. Ils sont les constituantsessentiels des plantes

La formule de la biomasse est CxHyOzLa formule du pétrole est CxHy

Le craquage va donner un mélange beaucoup plus complexe.Enlever l’oxygène est endothermique. En rajouter est exothermique.

La chimie issue de la biomasse devrait être principalement une sucrochimie (70% de sucres dans la biomasse)

La mobilisation de la biomasse exige une logistique lourde qui peut être rédhibitoire dans de nombreuses situations (coût énergétique…)

Qu’est-ce qu’ une bioraffinerie ?

C’est une opération qui devrait:C’est une opération qui devrait:Séparer les différents constituants des végétaux: Séparer les différents constituants des végétaux: cellulose, hémicellulose, lignine… et les matières cellulose, hémicellulose, lignine… et les matières facilement extractibles (terpènes, acides facilement extractibles (terpènes, acides résiniquesrésiniques

, ,

tannins…)tannins…)

Par extension c’est toute opération qui transformerait la Par extension c’est toute opération qui transformerait la biomasse en produits chimiques et énergie.biomasse en produits chimiques et énergie.

Biomass Thermal treatmentPyrolysis, gasification

FuelsGas

Example of thermal biorefinery

Catalysis

ChemicalsFuels

Example of chemical biorefinery

Separation process

Cellulose

BarkHemicelluloses

Lignin

•Antioxidants•Pharmaceuticals•Soaps•Adhesives•Flagrance/ perfumes•.Energy/fuel

•Sugars•Furfural•Ethanol•Paper additives•Food additives•Barriers•Chemicals and polymers ….

•Energy/fuel•Dispersing/ Binding agents•Adhesives•Carbon fibres•Phenols•Polymers

•Textile cellulose •Celluloses derivatives•Glucose•Chemicals and polymers•Ethanol

Sulfite pulpingKraft pulpingOrganosolv pulpingSteam explosion..........

PaperPulp

Extractives

EstEst--ce que cela existe?ce que cela existe?

130 millions de tonnes130 millions de tonnes

de cellulose plus ou moins pure de cellulose plus ou moins pure sont extraites chaque année dans le monde par un sont extraites chaque année dans le monde par un procédé particulièrement intéressant (procédé kraft), procédé particulièrement intéressant (procédé kraft), dans lequel aucun réactif, ni aucune énergie dans lequel aucun réactif, ni aucune énergie extérieure ne sont consommés. extérieure ne sont consommés.

(à titre de comparaison la production annuelle(à titre de comparaison la production annuellemondiale de matières plastiques est de mondiale de matières plastiques est de 270 millions de tonnes270 millions de tonnes))

.

Une usine de pâte à papier réalise donc le raffinage de la Une usine de pâte à papier réalise donc le raffinage de la biomasse:biomasse:

--la la cellulosecellulose

est presque entièrement récupérée(utilisation est presque entièrement récupérée(utilisation papetière principalement) (prix de vente moyen sur 5 ans: papetière principalement) (prix de vente moyen sur 5 ans: 0.6 0.6 $/kg$/kg))

--la la ligninelignine

est utilisée comme combustible.est utilisée comme combustible.--les extraits (résineux) sont récupérés (très nombreux les extraits (résineux) sont récupérés (très nombreux produits: produits: talltall

oiloil, terpènes, terpènes))

--par contre les par contre les hémicelluloseshémicelluloses

sont dégradées par le procédé. sont dégradées par le procédé. Ceci doit être corrigé à l’avenir.Ceci doit être corrigé à l’avenir.

L’ usine de cellulose de demain L’ usine de cellulose de demain Une véritable Une véritable bioraffineriebioraffinerie

??

.

Où

en est-on aujourd’hui?

.

Récupération

de la lignine

Lignoboost

Récupération de sucres par hydrolyse du bois

Les produits chimiques dont nous avons besoin Les produits chimiques dont nous avons besoin aujourd’hui peuventaujourd’hui peuvent--ils être produits par ces ils être produits par ces

voies?voies?

Les usines de pâte à papier produisent déjà Les usines de pâte à papier produisent déjà 130 Mt 130 Mt de cellulosede cellulose

(utilisée principalement pour le papier (utilisée principalement pour le papier

aujourd’hui (prix de vente 600 aujourd’hui (prix de vente 600 $/$/

t)t)

40 Mt 40 Mt d’hémicelluloses sont aisément récupérables d’hémicelluloses sont aisément récupérables pour du bioéthanol ou de la chimiepour du bioéthanol ou de la chimie10 Mt10 Mt

de lignine récupérables et disponiblesde lignine récupérables et disponibles

A mettre en regard avec les A mettre en regard avec les 400 Mt400 Mt

de produitsde produitsissus de la pétrochimieissus de la pétrochimie

Faire une part substantielle des produits chimiques Faire une part substantielle des produits chimiques dont nous avons besoin à partir de la biomasse dont nous avons besoin à partir de la biomasse par cette voie est donc réaliste. par cette voie est donc réaliste.

Schéma de la filière:Schéma de la filière:

Cellulose → polymères cellulosiques, textilesCellulose → polymères cellulosiques, textilesCellulose → glucoseCellulose → glucose

Glucose → polymèresGlucose → polymèresGlucose → éthanolGlucose → éthanol

EthanolEthanol

→ éthylène→ éthylèneEthylèneEthylène

→ polymères (plastiques)→ polymères (plastiques)

HemicellulosesHemicelluloses

→ sucres → sucres →→

éthanol, produits éthanol, produits chimiques divers chimiques divers → → polymèrespolymères

Lignine Lignine → → résines phénoliques, plastiques, résines phénoliques, plastiques, phénolsphénols

Quelques projets du LGP2

ProjetPolywood

FDCA Acide TéréphtaliqueRemplace l’acide téréphtalique Origine pétrolière

Glucose-

Mannose

Synthèse de polyamide à partir du FDCA et d’une diamine biosourcée

Dérivés

du

FDCA

Exemple de diamine

Projet SUCROL Lignocellulosic biorefinery for the simultaneous

production of pulp and surface active agents (alkyl polylycosides)

Direct Fischer glycosidation

Transetherification

OHO

HOOH

OH

OHO

HOOH

ORR OHH2SO4

-H2O

ROH: alcool gras

OHO

HOOH

OR'

OHO

HOOH

ORR OHH2SO4

-R'OH

Synthèse d’APX

Bioraffinerie:Vers une nouvelle chimie?

La chimie de demain fera une grande place à la sucrochimie