Journées Condorcet 2016 Gembloux Agro-Bio Tech – Université de Liège

Juillet 05-06, 2016

Bruno BUJOLI Algoroute: Liants routiers bio-sourcés, comme alternative au

bitume d’origine pétrolière

Enrobés routiers = granulats (95%) + bitume (5%) Ceux-ci incorporent 14% d’enrobés recyclés

Contexte

→ La quasi-totalité du bitume utilisé en construction routière provient du raffinage du pétrole brut → Entre 2009 et 2014, 1/3 des raffineries en France a disparu, avec un passage de 11 raffineries (capacité = 98,1 Mt/an) à 8 raffineries (capacité = 69,3 Mt/an), dont 5 opérées par Total et 2 par Esso → Enjeux: Marché bitume français : 2,3 Mt par an en 2014 (2,7 Mt en 2013) •Liant = ressource stratégique pour les industries de construction routière, dont les leaders sont français •Le craquage des fractions lourdes pour faire de l’essence devient rentable lorsque le prix du baril est élevé •Innovation en chimie verte pour développer des liants routiers alternatifs issus de ressources renouvelables

ornièrage ressuage nids de poule

Froid (< 0°C, fragilité) 0-25°C (plasticité) Chaleur (ramollissement)

Bitumes: suspension colloïdale avec une continuité chimique et un comportement visco-élastique très particulier. Mélanges de composés chimiques nombreux et variés (plus de 10 000 composés) dont il est impossible de dresser une liste précise

Phase  huileuse  

Molécules  intermédiaires  (résines)    

Asphaltènes (feuillets poly-aromatiques empilés)

Changement d’état sur une centaine de degrés: Vitreux → Elastique/Visqueux → Liquide  

fissurage

Problématique scientifique autour des bio-bitumes: Reproduire ce type de suspension colloïdale à partir de différentes ressources renouvelables

Remplacement total: Liants type Végécol, Biophalt, Floraphalte, Séquoia développés par l’industrie routière : liants à caractère esthétique utilisant pour la plupart des huiles alimentaires, et parfois des résidus de l’industrie du pin ou du papier. •Utilisation principale: pistes cyclables, chemins piétonniers…

Remplacement partiel: •Co-produits de pyrolyse de biomasse cellulosique (Iowa State University) •Co-produits de liquéfaction hydrothermale de lisier (North Carolina University) •Acides gras de soja (Purdue university) •BioAsphalt produit à partir d’huiles de cuisson après traitement thermo-chimique (Washington State University) •Carnauba wax, Huile végétale, BioDiesel, Huile de friture (Petrobras) •Bioflux: huiles végétales et animales hydrogénées (Nynas, Neste Oil) •Vegetex : huile végétale usagée ou non (Bailey et al. 2012)

Floraphalte    (Shell)  WO2010128105  Séquoia  (Eurovia)  FR2955586  

Approche exploratoire du projet Algoroute: Mettre au point un liant routier alternatif au bitume pétrolier à partir de résidus de biomasse

3 prérequis -Performances d’usage analogues (mécaniques, durabilité) -Ne pas entrer en concurrence avec la nutrition humaine -Être rentable économiquement

Liquéfaction hydrothermale (LH) de résidus de µ-algues preuve de concept: obtention d’un matériau viscoélastique thermosusceptible  

1ère simulation du coût de production

Lancement du Paris Scientifique Régional « ALGOROUTE »

670 €/T contre 350 – 700 €/T pour bitume conventionnel selon cours du pétrole

Optimisation des conditions de LH propriétés viscoélastiques similaires à celles d’un bitume pétrolier 

2015

2014

2013

2012

2011

2010

Scenedesmus sp. (résidus humides après extraction des protéines

hydrosolubles [80% d’eau en poids])

Lipides + polysaccharides(~30%) + protéines (~20%)

Fraction aqueuse (cycles azotés, dimères cycliques

d’acides aminés, lipides…)

Liquéfaction hydrothermale : 240 - 300 °C Pression autogène: 45 – 135 bar

Fraction non soluble dans l’eau

Gaz (CO2)

~ 50-60%

~ 15-20%

Sels (CaCO3) +

Polyester-polyéther d’acide gras

Huile soluble

Fraction non soluble dans l’eau

Traitement au dichlorométhane

Solide insoluble

RMN 13C MAS

Composés aliphatiques à longue chaîne (alcènes, acides gras et leurs

homologues de type amide) +

Aromatiques de type phénol et indole +

enrobés fabriqués à partir du bio-liant

préparé à 260°C

Rhéologie analogue entre bio-liant (260°C) et bitume (recouvrement des isothermes dans l’espace de Black)

Norme du module complexe versus température à 1Hz (rigidité)

Angle de phase versus température à 1Hz (capacité du matériau à relaxer les contraintes;

90° = liquide; 0 = élastique)

Données rhéologiques de la fraction insoluble dans l’eau

Brevet  WO  2015044891    ACS  Sust.  Chem.  Eng.  2015,  3,  583  

Bitume = asphaltènes (particules de composés polyaromatiques lourds) dispersés dans une phase huileuse d’hydrocarbures

Bio-bitume issu de LH: polymère de haut poids moléculaire (polyester-polyéther d’acides gras) dispersé au sein d’une huile à base d’acides gras

Huile  à  base  d’acides  gras  

Molécules  de  taille  intermédiaire  

Polyester-­‐polyéther  d’acides  gras  (haut poids moléculaire)

Effets de la température

T: 260°C → 300°C

Rendement en fraction non soluble dans l’eau est constant (~55%)

Taille de la fraction polymère de haut poids moléculaire diminue et la phase

huileuse se condense

A température trop basse (< 240°C), le résidu de biomasse est peu déstructuré

Eau sous-critique Baisse de la constante diélectrique de l’eau → solubilisation de molécules organiques Augmentation du produit ionique de l’eau → accélération des réactions catalysées en milieu acide ou basique

Points clés pour évaluer le potentiel et la viabilité de la liquéfaction hydrothermale de résidus de biomasse pour la préparation de bio-liants → Explorer différentes sources de résidus (autres souches de micro-algues, résidus gras issus de l’industrie agroalimentaire, farines animales…) - identifier des coproduits à bas coût - étudier et comprendre la relation entre la nature du résidu et les propriétés viscoélastiques des produits de LH - étudier l’influence des différents paramètres liés aux conditions de LH (température, taux de remplissage, ratio eau / masse sèche)

Des résultats préliminaires encourageants, mais la “route” est encore longue…

Autre cas Arthrospira platensis

Spiruline de la famille des cyanobactéries (résidus après extraction des protéines

hydrosolubles)

0

20

40

60

80

100

1,00E+02 1,00E+03 1,00E+04 1,00E+05 1,00E+06 1,00E+07 1,00E+08 1,00E+09

Angle  de

 phase  (°)

|G*|  (Pa)

■ spiruline après LH ▲ bitume chargé en élastomère ● bitume conventionnel

Points clés pour évaluer le potentiel et la viabilité de la liquéfaction hydrothermale de résidus de biomasse pour la préparation de bio-liants → Comportement des bio-liants dans les conditions d’usage - évaluer la possibilité de montée en échelle du procédé (réacteur de LH en continu) - estimer l’évolution du produit au cours du temps (vieillissement accéléré)

Des résultats préliminaires encourageants, mais la “route” est encore longue…

Enrobé issu du bio-liant (260°C) montre une bonne stabilité (vieillissement simulé: eau (25°C), exposition UV (60 W/m²), flux d’air (60 °C))

Trophée ADEME 2015 de la recherche publique Energie

Environnement Climat

Points clés pour évaluer le potentiel et la viabilité de la liquéfaction hydrothermale de résidus de biomasse pour la préparation de bio-liants → Viabilité du procédé - atteindre un coût global de production compétitif par rapport aux bitumes pétroliers (en substitution totale ou partielle) - réaliser l’analyse du cycle de vie des bio-bitumes - introduire des catalyseurs utilisés en raffinage pour limiter la formation de sous-produits en phase aqueuse et contrôler les insaturations et la désoxygénation des produits (stabilité aux UVs et à l’oxydation) - Ajuster les propriétés du bio-liant en combinant différents coproduits (avec et/ou sans traitement), pour développer des fonctions spécifiques (adhésivité, élasticité, ductilité….)

Des résultats préliminaires encourageants, mais la “route” est encore longue…

Partenariat Public/Privé

interdisciplinaire

-  Génie civil routier: IFSTTAR (Bouguenais)

-  Génie des procédés: GEPEA (Nantes)

-  RMN du solide: CEMHTI (Orléans)

-  Industriels: Algosource Technologies (44)

-  Elargissement du partenariat: Industrie routière: EIFFAGE Infrastructures, Catalyse: IRCELYON (Lyon), Analyse du cycle de vie: GeM (Nantes)

Financement sur « Paris scientifiques régionaux » et « aide à l’équipement de laboratoires »

NANTES – Bretagne / Pays de la Loire