Eléments de conjoncture

A l'origine, les travaux du département transformation des produits végétaux de l'INRA se focalisaient uniquement sur la valorisation alimentaire des différentes espèces végétales (maïs grain, blé, pomme de terre etc.). Depuis, plusieurs éléments de conjoncture ont modifié le paysage au niveau occidental conduisant ainsi les chercheurs à explorer des voies de valorisations non alimentaires de ces espèces :

• Une nouvelle demande environnementale. Le premier élément de conjoncture a été une prise de conscience des problèmes environnementaux : pollution de type urbaine essentiellement (liée aux gaz d'échappement), et effet de serre ; et de la nécessité de les résoudre.
  Concernant la pollution urbaine, les analyses statistiques sur la période passée et les projections sur l'avenir montrent que la formation et le renforcement des mégapoles va continuer ce qui va accroître la demande de maîtrise de cette pollution.
  Avec l'effet de serre est apparu le soucis permanent de réduire la quantité de carbone fossile rejeté dans l'atmosphère.

• Un renchérissement des ressources énergétiques. Le deuxième élément concerne l'augmentation du prix des ressources énergétiques. Si l'on remonte de quelques milliers d'années, seules les énergies renouvelables étaient utilisées ; puis sont venues les énergies fossiles ; et enfin pour certains pays, les énergies fissiles. Ces dernières sont parfois remises en cause pour des raisons de protection de l'environnement ou d'acceptabilité par certaines parties de la population. On sait en revanche qu'un problème d'énergie se pose de manière très sérieuse et qu'il sera accentué si des pays tels que la Chine, l'Inde etc. atteignent des niveaux de développement donc de consommation en énergie équivalents à celui des occidentaux (il ne s'agit ici que de l'exemple européen).

• Les surproductions agricoles de l'Occident. Le troisième élément qui est venu se greffer sur les précédents concerne la surproduction agricole des années 1990 - 1995. Le niveau considérable des stocks a conduit à la mise en place d'une PAC à l'échelle européenne (Politique Agricole Commune) avec mise en jachère de 10% des surfaces, puis de 5%.

En résumé, l'évolution du paysage a consisté en une émergence des demandes sur l'environnement et l'énergie d'un côté ; et de l'autre, l'apparition d'excédents de matières premières que l'on savait transformer par ailleurs.

  Objectifs politiques

Dans ce contexte, une prise en main par les instances politiques a abouti à plusieurs décisions à long terme (2010 - 2020 : accords de Kyoto, Berlin, Johannesburg etc.) qui vont toutes dans le même sens :

• il faut diminuer la consommation d'énergie fossile
  (carbone fossile) ;
• il faut augmenter la consommation à partir de ressources renouvelables, la solution importe peu.
• Est inclu dans cet ensemble, le soucis d'avoir des matériaux biodégradables afin de limiter dans le même temps un certain nombre de pollutions solides.

Cette prise en main a conduit, en particulier après Kyoto, à un protocole bruxellois qui pose comme objectif à l'horizon 2010 que 22% de l'énergie utilisée en Europe occidentale soit d'origine renouvelable (sans préciser éthanol ou diester ; il s'agit donc d'un ensemble très large).
Cet objectif s'inscrit dans un contexte où règne une très forte incertitude sur le devenir de la PAC, du commerce mondial et sachant qu'il existe une montée très forte de la demande alimentaire liée à l'érosion des sols, à la pénurie d'eau et à l'augmentation de la population mondiale ; les projectionnistes estiment en effet qu'il faudra multiplier la production alimentaire par trois ou quatre d'ici 2050 (après intégration des différents stades de transformation).

  Impact sur les répartitions des surfaces en 2010

Sur cette base, M. Desmarescaux, ancien PDG de Rhône-Poulenc, a calculé au niveau français les surfaces agricoles qui devront être consacrées à des valorisations non alimentaires :

L'augmentation n'est pas négligeable même si l'on admet que cette projection comporte un risque d'erreur d'environ 20%.

Pour compléter ce paysage, il est intéressant de comparer les domaines d'applications du maïs entre la France et les Etats-Unis, deux pays de niveau technologique équivalent (Tab. 2) :

• la première différence porte sur la moindre utilisation du maïs en France comparativement aux Etats-Unis ;

• en revanche, la part d'exportation est importante en
  France ;

• Enfin, la production d'éthanol est de 7,3% aux Etats-Unis alors qu'elle est inexistante en France. C'est l'enseignement majeur qui se dégage de ces données.

  Potentiel de production

L'observation des quantités de matériaux d'emballage produits au niveau français (Tab. 3) montre une voie intéressante du côté des plastiques d'emballage dont la production est estimée à 1,6 MT/an. Ce chiffre est à mettre en regard d'une masse équivalente pour le bois ; d'une production deux fois plus élevée pour le verre, et très faible pour les métaux. L'idée est de remplacer ces polymères de synthèse par des biopolymères et en particulier l'amidon dans la fabrication d'objets d'emballage de grande consommation

  Coût énergétique

Pour estimer la viabilité de cette solution, une analyse du coût énergétique de ces matériaux est fondamentale car c'est la variable qui fera à terme basculer la tendance. Le tableau 4 présente les coûts de fabrication en Méga Joules par kilogramme pour différents matériaux : les polymères issus des carbones fossiles sont dix fois plus gourmands en énergie que ceux à base de carbone renouvelable. Ce bilan ouvre des perspectives très fortes vis à vis des métaux et des polymères de synthèse sur le plan énergétique. C'est un argument non négligeable à prendre en considération à long terme.

• Incorporation d'amidon ou de protéines en charge dans un matériau. L'unique intérêt de ce procédé est d'ordre économique : le coût de l'amidon s'élève à 0,13 Euro/Kg alors que celui du polyéthylène (fabriqué à partir de carbone fossile) s'élève à 1 Euro/Kg. On obtient une baisse du prix de revient de la matière pour une baisse de performance généralement négligeable pour le consommateur. Pourtant, la présentation de ce procédé est souvent accompagnée d'un discours sur la biodégradabilité. Or cet argument n'est pas valable puisque l'amidon est ici encapsulé c'est-à-dire inaccessible aux enzymes et microoragnismes susceptibles de le dégrader.

• Réalisation d'alliages en polymères de synthèse et amidon. La sensibilité à l'eau représente le principal défaut des biopolymères utilisés seuls. Les alliages présentent donc un intérêt majeur en améliorant les performances mécaniques de ces matériaux et leur résistance à l'eau. Bien que le marché ne se soit pas encore développé, ce débouché est déjà totalement vérouillé par les grands industriels de la Chimie (Elf Aquitaine, Monsanto etc.) qui ont depuis longtemps brevetés les formulations de polymères de synthèse à mettre en mélange avec des biopolymères.
   
   
  

• Réalisation de multicouches : 1 film de polyéthylène, 1 film d'amidon, 1 film de polyéthylène. L'ensemble est parfaitement résistant à l'eau ; le polyéthylène est perméable à l'huile et l'amidon y est imperméable. On récupère ainsi de nombreuses propriétés mécaniques très intéressantes. L'inconvénient est que le polyéthylène n'est plus recyclable et n'est toujours pas biodégradable.

• Réalisation de matériaux composites : amidon chargé avec des fibres végétales. Outre des capacités de mise en forme ou autres, ces matériaux présentent des propriétés mécaniques environ équivalentes à celles des polymères de synthèse. De plus, la présence de fibres végétales est un atout environnemental mais s'accompagne de problèmes techniques dus aux variations qualitatives des propriétés des fibres, difficilement compatibles avec des marchés exigeants (équipements automobiles, ameublement).

• Hémisynthèse. Ce procédé permet d'obtenir de l'acide polylactique (PLA) à partir d'acide lactique (donc de glucose) dont les domaines d'applications sont nombreux. L'exemple des gobelets en plastique des machines à café est intéressant car il montre toute l'ampleur de la maîtrise technologique nécessaire pour obtenir un produit de qualité ; il faut résoudre des problèmes de stabilisation de la taille du gobelet, d'électricité statique pour permettre au gobelet de tomber à la verticale etc. Danone a utilisé ce procédé pour la fabrication de pots de yaourts entièrement biodégradables destinés au marché allemand. L'avantage commercial n'ayant pas été confirmé, la société a abandonné cette solution qui, de plus, ne résolvait pas la question du tri sélectif.

Notons également que ces objets n'ont pas nécessairement le même champ d'application que les matériaux issus de polymères de synthèse qu'ils pourraient remplacer. D'autres facteurs autres que qualitatifs peuvent contraindre une société à en suspendre l'utilisation. La firme BMW par exemple fut bien étonnée de constater une invasion de souris dans ses garages suite à l'utilisation de mousses de calage en amidon expansé pour ses pièces détachées de moto.

• Argument économique. Si l'on compare les coûts des différents matières brutes, on constate que le polyéthylène coûte 4 fois plus cher que de l'amidon. Toute augmentation du prix du pétrole est donc favorable à ce genre d'argument.

• Biodégradabilité. C'est l'argument majeur en faveur de l'utilisation de l'amidon. Si le recyclage, pronné par l'industrie pétrolière, est justifié dans de nombreux situations, il présente également ses limites :
  • emballages pollués (yaourt utilisé,...) ;
  • emballages complexes (types multicouches : bouteille d'huile,...) ;
  • produits égarés dans la nature : bien que ces "accidents" soient regrettables, ils n'en sont psa moins une réalité qui doit être prise en compte ;

  Dans ce cas, les objets biodégradables présentent un intérêt.

  Positionnement par rapport au carbone fossile

Quels sont, en dehors du prix, les facteurs de déséquilibre qui pourraient limiter le développement de ce marché :

• La production des matières plastiques ne consomme que 2% des utilisations gaz - pétrole

• Rappelons les avantages : réduction à la source, réutilisation, recyclage, revalorisation

• L'inconvénient majeur, dénoncé par l'industrie pétrolière concerne l'augmentation du poids unitaire inhérente aux plastiques à base de biopolymères. Alors que les polymères de synthèse ont une densité comprise entre 0,7 et 0,8, celle des biopolymères varie entre 1,2 et 1,4 ; le poids unitaire augmenterait ainsi de 400%, ce qui aura pour conséquence de doubler la consommation d'énergie. L'industrie pétrolière considère que le coût global, en comparaison avec un polyéthylène standard, augmenterait de 210%.

  Besoins énergétiques

Actuellement les biocarburants sont essentiellement produits à partir de colza (24%) et de betterave (6%). Le blé ne pèse que 0,3% et le maïs est inexistant.
Les besoins énergétiques des transports sont considérables puisqu'ils représentent près du quart de la consommation énergétique primaire française (24,4%). Bruxelles et l'Ademe ont ainsi fixé comme objectif d'atteindre une consommation de diester de 2% en 2005 et de 5,75% en 2010. A cela s'ajoute les besoins en éthanol issu du blé, du maïs ou de la betterave (non chiffrés).

Animation à monter :
une usine dans laquelle on injecte de l'amidon, le CO2 s'envole, l'éthanol produit part dans une voiture américaine etc.

  Solutions technologiques (cf. animation)

Le procédé de transformation de l'amidon en éthanol génère 33% de dioxyde de carbone (CO₂) ce qui représente une perte importante d'énergie.
Selon les pays, les voies d'utilisations ultérieures divergent :

• les Etats-Unis ont choisi d'utiliser directement l'éthanol et proposent deux types d'essence :

  • Le E-10 Unleaded Fuel, contenant 10% d'éthanol ;
  • Le E-85 Flexible Fuel, contenant 85% d'éthanol et qui nécessite des moteurs adaptés.
    
    

• La voie choisie en France consiste à coupler l'éthanol avec une autre molécule pour obtenir de l'ETBE (Ethyl Tertio Butyl Ether). Cette solution présente l'avantage d'être directement intégrable dans l'essence à hauteur de 20% sans modification du régime de carburation

  L'éthanol, une énergie renouvelable très compétitive à l'horizon 2050

Connaissant l'évolution de certaines données de base (population, stocks de pétrole etc.), il est possible d'établir une projection en 2050 du coût des différentes énergies. Le schéma ci-contre présente ainsi les plages de variations attendues pour chaque type d'énergie renouvelable : nucléaire, hydroélectrique, éolien, solaire, éthanol...
Notons tout d'abord que les biocarburants ne sont pas représentés dans cette analyse par le diester mais par l'éthanol ce qui est un premier élément favorable.

Par ailleurs, l'éthanol figure, contre toute attente dans la partie inférieure du diagramme (entre $3,1 et $4,8/GJoules) c'est-à-dire à des niveaux de prix inférieurs aux autres types d'énergies traditionnellement considérées comme particulièrement économiques (solaire thermodynamique ou photovoltaïque, éolien).

Le second diagramme montre une diminution du prix de l'éthanol de 7,9 en 1990 à 3,95 en 2050, sous réserve d'une stabilité politique. Les énergies renouvelables sous forme d'éthanol sont donc considérées par les experts comme une source rentable à l'échéance 2050.

L'éthanol disposerait donc d'un marché potentiel important à long terme. La difficulté pour les maïsiculteurs réside donc plus dans la compétition maïs / blé que dans la pérénisation de ce débouché. Les deux espèces ont en effet les mêmes applications potentielles : chimie fine, emballages, alimentation animale, énergie, alimentation humaine etc. Le blé dispose aujourd'hui d'un léger avantage grâce à une meilleure valorisation de ses proteines.

La démarche des chercheurs de l'INRA consiste à identifier une cible bien définie en terme de produit ou de service, un marché de niche qui permet de démontrer la viabilité économique et la robustesse technique des propositions. Cette approche permet, dans un second temps, de passer au développement par une diversification de la gamme. En aucun cas, il ne s'agit de chercher à révolutionner les systèmes et solutions en place.
Les équipes doivent également veiller à la disponibilité des matières premières, c'est-à-dire tenir compte de la compétition existant entre plantes. La recherche technologique se focalise donc sur la valorisation de plantes de grande culture.
Le besoin d'innovation au niveau des procédés de tranformation est aujourd'hui très faible. La rupture ne sera donc pas provoquée par des nouvelles techniques mais plutôt par de nouvelles valorisations de la plante entière et non plus d'une fraction ou d'un organe particulier. Les tiges de maïs ou de blé sont par exemple aujourd'hui inexploitées. Il faudra être capable demain d'utiliser ces sources de carbone synthétisé.

  Facteurs actuels d'opportunité

Plusieurs éléments dessinent un cadre favorable :

• Des contraintes environnementales fortes. Même si celles-ci s'expriment plus fortement en période électorale, il existe dorénavant le soucis permanent de progresser vers le maintien de sols propres, de villes moins polluées etc.

• Des marchés en cours de structuration. Que ce soit dans le domaine de l'énergie ou des matériaux, il n'existe pas d'opérateurs dominants qui forceraient les autres opérateurs du marché à suivre leurs choix.

• Des règles de fonctionnement non stabilisées. Donc toute réponse aux objectifs (politiques, environnementaux) est une opportunité pour stabiliser les règles de competition.

• La "capture" de la valeur ajoutée par l'amont est encore possible. La valeur ajoutée qui sera créée par ces nouvelles filières n'est pas encore captée par un opérateur préférentiel ce qui laisse le champ libre à une appropriation par l'amont.

• De fortes dynamiques de recherche . En effet, ces thématiques sont actuellement très soutenues.

• Un coût élevé du pétrole ? L'industrie pétrolière connaît la valeur seuil à partir de laquelle un changement d'orientation deviendra nécessaire. Elle se situe aux environs de $50 / baril. Certaines firmes ont déjà investi dans des exploitations agricoles, des amidonneries; Shell, par exemple est actuellement le premier propriétaire forestier au Canada.

  Difficultés

Malgré le cadre favorable, certaines difficultés existent :

• Des antagonismes entre les filières agricoles et pétrolières.

• Des incohérences de la politique agricole commune avec la politique énergétique européenne

• Des Fluctuations de la politique sur la biomasse

• Une absence de stratégies industrielles

• Valorisation des fibres végétales - biotechnologies