Groupement de recherche « Conversion Thermochimique de la Biomasse et des Déchets »

Etat de l’art et contexte international, motivation de la création du GDR

 La biomasse et les déchets issus de biomasse représentent aujourd’hui des ressources disponibles durables pour la production de produits chimiques, de carburants, d’additifs et de matériaux. Le développement de leur valorisation répond à une volonté internationale forte d’économiser les ressources, de maitriser les consommations d’énergie et une exigence environnementale incontournable pour lutter contre le changement climatique. La valorisation de la biomasse nécessite le développement de nouveaux procédés, de nouveaux catalyseurs, de méthodes de caractérisation plus performantes. En effet, ils doivent s’adapter à des systèmes/fractions souvent très complexes et requièrent aussi le développement de méthodes de modélisation afin d’élucider et d’améliorer notre compréhension de nouvelles réactions  afin d’optimiser les filières.  Au niveau international, la valorisation de la biomasse connait un très fort regain d’intérêt en termes de travaux scientifiques et de développement de démonstrateurs. L’ensemble des groupes industriels affichent un engouement prononcé pour les bio-ressources et certains proposent déjà des bio-produits sur le marché mais la plupart des projets industriels sont encore dans une phase de recherche non appliquée. Les objectifs ambitieux annoncés couvrent de nombreux domaines comme les énergies renouvelables : les carburants de seconde génération, le biogaz, la production de synthons pour l’industrie chimique, issus des bio-ressources. L’existence de grands projets français tels que BioTfuel, Futurol, GAYA et Biogreen et de nombreux autres projets internationaux témoignent de l’intérêt de ces filières.

Les perspectives internationales, le contexte environnemental, les nombreux verrous que soulève l’utilisation industrielle de nouvelles ressources sont autant d’éléments qui motivent la création de ce GDR, dans le but premier de fédérer la recherche française dans cette thématique forte.

Mission du GDR, programme de recherche (2018-2022)

La mission principale du GDR « Conversion thermochimique de la biomasse et des déchets » est de favoriser l’échange de connaissances dans le domaine de la valorisation de la biomasse par des procédés thermochimiques et de fédérer les chercheurs français impliqués dans cette thématique vaste et interdisciplinaire. Le périmètre scientifique du GDR ThermoBio, complémentaire des GDR « Bois » et « Symbiose » existants, est structuré de façon à répondre à des défis scientifiques primordiaux : mieux connaitre la ressource disponible, innover avec de nouveaux procédés de conversion thermochimique, améliorer l’analyse des produits de conversion, modéliser les systèmes pour un développement industriel, définir les filières les plus adéquates et répondant à des critères économiques et environnementaux.

Le groupement de recherche ThermoBio aura pour mission de fédérer l’ensemble des chercheurs dans ce domaine au-delà des clivages institutionnels et de promouvoir de nouvelles collaborations afin d’initier des projets collaboratifs et de les proposer au niveau national et européen (ANR et Horizon H2020) en mettant en place une stratégie de recherche et de partenariat. Pour cela, un séminaire scientifique annuel et une école thématique seront organisés pendant les 5 ans d’existence du GDR dans le but de partager les connaissances et investigations des membres du GDR, et également pour former et informer de jeunes chercheurs et étudiants dans la thématique. Le pôle de compétitivité Axelera, situé en région Auvergne-Rhone-Alpes, nous apporte son soutien dans ce projet (lettre de soutien jointe).

Dans ce GDR, quatre grands axes scientifiques seront ainsi développés :

Axe 1 : La ressource et sa diversité

Dans cet axe, les acteurs de la ressource biomasse ou déchets seront impliqués afin d’apporter un éclairage sur les ressources disponibles, la part de nouvelles ressources et des déchets et quelles applications potentielles peuvent être développées à partir de ces ressources. Un objectif de ce GDR sera d’établir une cartographie en termes de ressources disponibles, d’adéquations ressources/applications, de composition, etc. sur la base d’échanges de données. Cet axe scientifique échangera sur les questions suivantes : quels prétraitements doivent être appliqués pour améliorer la transformation de ces ressources ? Comment gérer/utiliser les stocks actuels et futurs ? Comment assurer la durabilité de la ressource (gestion des sols, etc.) ? De plus, nous nous préoccuperons de la gestion des mélanges de ressources et de déchets et de leur stockage.

Axe 2 : Les mécanismes réactionnels : vers une meilleure compréhension de la conversion.

Afin de définir les filières adéquates et d’améliorer les procédés, il est indispensable de modéliser les processus et de comprendre les mécanismes réactionnels qui produisent des charges complexes telles que les liquides issus de biomasse (ou de déchets). Dans ce volet, les outils de modélisation, les réactions modèles et les techniques d’analyse seront mis en œuvre pour améliorer la compréhension de ces phénomènes. Le besoin analytique est élevé et exige le développement de nouvelles techniques et méthodologies. Nous pourrons par exemple organiser des ateliers spécialisés sur les méthodes d’analyses des produits ex-biomasses (composés oxygénés, minéraux, etc.) et sur les mécanismes réactionnels. Il est également fondamental d’échanger au sein de notre communauté sur le développement de catalyseurs (sélectivité, toxicité, coût, etc.) sur la base d’étude fondamentale de réactions modèles et sur charges réelles. En effet, les acteurs de ce GDR sont très bien positionnés au niveau international sur le développement de catalyseurs pour la conversion de la biomasse. Notre communauté serait encore renforcée si nous favorisions les échanges grâce à ce GDR.

 Axe 3 : Les réacteurs et procédés pour la conversion de la biomasse.

La conversion thermochimique des ressources issues de la biomasse conduit à l’obtention de liquides et de gaz qui peuvent être valorisés dans différentes filières de biocarburants ou produits chimiques. En raison des nombreux verrous propres à la conversion de la biomasse et des déchets (présence d’eau, milieu corrosif, mélanges complexes, macromolécules…), de nouveaux outils de conversion doivent être développés. A la sortie de ces réacteurs, les gaz ou liquides doivent être épurés pour atteindre différentes spécifications d’usages : pureté des gaz en gazéification, qualité des bio-huiles (hydrotraitées) pour une production de carburant, pureté des composés chimiques pour un usage comme synthons. Cet axe sera donc dédié à l’échange et la réflexion autour des réacteurs (catalytiques ou non), à leur intégration globale dans le procédé (synergie réacteur/purification), pour permettre in fine la mise au point de procédés industriels viables et innovants.

Axe 4 : L’approche multi-échelle : des molécules aux réacteurs et filières

L’étude de la conversion de la biomasse et des déchets nécessite souvent une approche modèle. L’enjeu est de coupler les études à différentes échelles, par exemple :

  1. d’inclure des études à l’échelle moléculaire (cinétique, mécanisme) dans des modèles de réacteur ;
  2. d’inclure des modèles de réacteur dans des modèles de procédés et filières ;
  3. d’utiliser ces modèles de filières pour conduire des analyses environnementales et économiques à l’échelle des territoires voire même globale (planète).

Des outils d’aide à la décision sont alors développés par optimisation multi-critère des filières. Il est important d’échanger sur les méthodologies de modélisation multi-échelle développées parmi les partenaires de ce GDR, notamment d’échanger et de comparer les méthodes de « lumping » (simplification), les méthodes d’intégration des modèles de réacteurs dans les modèles de procédés (de type « Process System Engineering »), de comparer les méthodologies d’analyse environnementale des filières, etc.

 

La pluridisciplinarité de la thématique proposée dans ce GDR exige la fédération d’acteurs scientifiques de différents horizons autour de la ressource, la catalyse, le génie de la réaction et des procédés, les sciences analytiques, la thermique, l’analyse environnementale….