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La chimie pour l’énergie

Chimie pour l’environnement


Dans toutes les branches de l’industrie, la chimie se doit de contrôler son impact sur l’Homme et la nature. Dès le début du XXIe siècle est né le concept de "chimie verte" qui répond à deux enjeux : produire beaucoup plus tout en consommant beaucoup moins et en protégeant l’environnement.

Publié le 1 décembre 2012
Culture de plants de quinoa dans une enceinte en conditions contrôléesCulture de plants de quinoa dans une enceinte en conditions contrôlées. © P. Dumas/ CEA



VidéoLa toxicologie nucléaire

Toxicologie nucléaire

Connaître les mécanismes de migration et d’accumulation des radionucléides dans la biosphère, de l’environnement à l’Homme, est essentiel pour déterminer l’impact des activités nucléaires. Cette approche implique une excellente maîtrise de la chimie des radioéléments dans les systèmes biologiques, notamment des équilibres et de la réactivité avec les biomolécules, qui va contrôler leurs mobilités et leurs distributions. Les progrès considérables de la chimie analytique et de la biologie ont permis des avancées majeures dans le domaine de la toxicologie nucléaire, renforçant les options mises en œuvre pour la gestion des activités actuelles (déchets industriels, hospitaliers et de recherche, maintenance des installations) et futures (démantèlement, nouveaux procédés envisagés pour les réacteurs de 4e génération). On notera également que les applications du nucléaire utilisent de nombreuses molécules chimiques (pour les procédés d’extraction, de séparation) et de nouveaux matériaux dont il faut maîtriser l’impact, dans l’esprit de la directive européenne REACH.

REACH
REACH est le règlement européen sur l’enregistrement, l’évaluation, l’autorisation et les restrictions des substances chimiques. Il est entré en vigueur le 1er juin 2007.
Les principaux objectifs sont d’assurer un niveau élevé de protection de la santé humaine et de l’environnement contre les risques que peuvent poser les produits chimiques, la promotion de méthodes d’essai alternatives, la libre circulation des substances au sein du marché intérieur et de renforcer la compétitivité et l’innovation.
Ce règlement fait porter à l’industrie la responsabilité d’évaluer et de gérer les risques posés par les produits chimiques et de fournir des informations de sécurité adéquates à leurs utilisateurs.
En parallèle, l’Union européenne peut prendre
des mesures supplémentaires concernant des substances extrêmement dangereuses, quand une action complémentaire au niveau européen se révèle nécessaire.

L’implication du CEA dans ce domaine remonte à 2001 avec la création de son programme interorganismes de toxicologie nucléaire environnementale. Aujourd’hui focalisé sur quelques radio-éléments clés (césium, iode, cobalt, uranium et transuraniens, tritium), il prend aussi en compte, depuis 2009, les nanoparticules et quelques molécules du cycle du combustible.

La collaboration étroite entre chimistes et biologistes est particulièrement fructueuse dans les applications environnementales. Par exemple, certaines bactéries isolées dans d’anciennes mines d’uranium sont capables de l’accumuler en formant des composés insolubles de phosphate d’uranyle ou en le réduisant. On peut aussi utiliser les connaissances acquises sur la réactivité de certaines protéines pour concevoir des biodétecteurs très spécifiques. La maîtrise des mécanismes de transport membranaire des radionucléides et de chélation (phénomène de liaison entre une molécule organique et un atome métallique par au moins deux liaisons chimiques) dans les plantes ou les micro-algues permettent d’imaginer des solutions innovantes pour la bio-dépollution. On envisage aussi l’usage de catalyseurs enzymatiques nouveaux issus de l’analyse métagénomique de la biodiversité. Ces études font largement appel à toutes les facettes de la chimie (radiochimie, chimie bio-organique, physico-chimie analytique, modélisation moléculaire, biochimie, etc.).

Valorisation des composants

La gestion des déchets, des rebuts de production et le recyclage des composants développés sont étudiés dès le lancement des programmes sur les nouvelles technologies de l’énergie.

Prenons l’exemple des batteries : depuis dix ans se développent des batteries lithium-ion qui doivent combiner performances améliorées et faible coût de production. Des matériaux tels que le LiFePO4 sont en passe de relever ce challenge et peuvent donc être transférés à l’échelle industrielle pour les véhicules électriques. Dans cette perspective, le recyclage des accumulateurs usagés doit être pris en compte. Il faut envisager la mise en sécurité de la batterie et le recyclage proprement dit des accumulateurs : la récupération des collecteurs de courant en cuivre et en aluminium, du liant fluoré des électrodes et de l’électrolyte. Le procédé de séparation chimique hydrométallurgique mis en oeuvre valorise le lithium, ce qui n’était pas le cas précédemment. Les matériaux actifs issus du recyclage sont remis dans le cycle de fabrication, favorisant ainsi le développement d’une économie circulaire en limitant les impacts environnementaux et en réduisant les besoins d’approvisionnement en matières premières vierges.

Chimie verte :
les 12 principes fondateurs


  • Prévenir la pollution à la source
  • Économiser la matière première
  • Travailler dans des conditions plus sûres
  • Concevoir des produits chimiques moins toxiques
  • Utiliser des solvants non-toxiques
  • Économiser l’énergie
  • Utiliser des ressources renouvelables
  • Réduire l’utilisation de molécules intermédiaires
  • Préférer des procédés catalytiques aux classiques
  • Concevoir un produit chimique en vue de sa dégradation finale
  • Analyser en temps réel les produits et leur impact dans l’environnement
  • Développer une chimie plus sûre


Chimie verte

La chimie est omniprésente dans le quotidien, avec 85 000 produits chimiques principaux (fabriqués à partir de 20 produits chimiques de base eux-mêmes issus de 10 matières premières, majoritairement fossiles comme le pétrole).
La production massive de ceux-ci participe à notre subsistance, à la santé et au confort. Mais la chimie n’est pas sans effet sur l’être humain et l’environnement.

Aussi, dès le début du XXIe siècle, recherche et enseignement se sont clairement orientés vers le développement durable. Née aux Etats-Unis à la fin des années 90, suite à la publication de l’ouvrage de Paul Anastas et John Warner « Green chemistry : Theory and practice », cette révolution a pour nom « chimie verte » et doit concilier deux enjeux : produire beaucoup plus de nourriture, de médicaments, d’eau potable et d’énergie, en consommant beaucoup moins et en protégeant l’environnement. Elle a pour but de concevoir des produits et procédés chimiques permettant de réduire, voire d’éliminer l’utilisation et la synthèse de substances dangereuses. Ces nouveaux procédés suivent quatre concepts : utiliser au maximum les matières premières, employer des solvants non-toxiques, rentabiliser au mieux l’énergie, produire des quantités minimales de déchets et sous des formes adaptées (solide, liquide ou gazeuse).

Ces concepts résument 12 principes fondateurs. Depuis une quinzaine d’années, ces principes sont discutés et remis en cause, mais ils sont toujours là. En effet, ils ne portent pas uniquement sur une opération de synthèse ou de transformation chimique, mais sur la globalité du processus, depuis l’utilisation des matières premières jusqu’à la production de déchets. Ils permettent de maîtriser toute la chaîne, de l’expérimentation à la modélisation, de façon simultanée.

La chimie verte fait partie des solutions à développer pour rendre le monde durable et elle sera forcément présente pour répondre aux grands enjeux du futur.

VidéoUn nouveau défi pour la chimie

 
Catalyseurs spécifiques à des procédés chimiques respectueux de l’environnement
Catalyseurs spécifiques à des procédés chimiques respectueux de l’environnement. © L.Godart / CEA


Dès la conception, le recyclage des accumulateurs usagés et la valorisation des composants sont pris en compte.


Exemple du CO2 supercritique et de quelques-unes de ses applications

Exemple du CO2 supercritique et de quelques-unes de ses applications
© DR

Un fluide est dit supercritique lorsque sa pression et sa température sont simultanément supérieures à leurs valeurs au point critique, telles que la transition liquide-gaz n’est plus possible. Il présente alors des propriétés physico-chimiques uniques, intermédiaires entre les liquides et les gaz, intéressantes pour la mise en œuvre de procédés chimiques. Le dioxyde de carbone (CO2) est le solvant le plus utilisé dans les procédés supercritiques, car il présente plusieurs avantages : point critique modéré (73 bars, 31 °C), abondance, absence de toxicité, ininflammable.
L’extraction de molécules d’un solide par un fluide supercritique est utilisée en agroalimentaire, par exemple pour la décafeïnation (environ 50 000 tonnes de café par an) et la production de principes amérisants pour la bière (quelques 30 000 tonnes de houblon traités par an).
Le procédé d’extraction par CO2 supercritique a aussi permis d’éradiquer le « goût de bouchon » dû à la présence de composés organiques connus, les chloroanisoles. Autre exemple, l’élaboration de particules médicamenteuses, car le procédé améliore la solubilité dans l’eau des principes actifs pharmaceutiques.