les biocarburants

LES BIOCARBURANTS
Après avoir pris connaissance des documents suivants, répondez en présentant une argumentation
chiffrée à la question suivante :
Présenter l’intérêt d’utiliser les biocarburants et dans l’hypothèse où l’on substituerait la totalité
du gazole par du biocarburant de type EMVH de colza , quelle surface agricole française devrait-on
utiliser ? En d’autres termes,
Manger ou conduire faudra-t-il choisir ?
Les biocarburants, mode d’emploi
Un biocarburant ou agrocarburant est un carburant produit à partir de matériaux organiques non fossiles,
provenant de la biomasse et qui vient en complément ou en substitution du combustible fossile. Les
biocarburants sont déjà disponibles à la pompe sous une forme banalisée : ils sont incorporés aux
carburants traditionnels dans de faibles proportions (5 % environ). D’autres biocarburants nécessitant des
moteurs adaptés sont disponibles (gazole à 30 % biodiesel et super-éthanol). Les huiles pures végétales
sont d’ores et déjà utilisées par les agriculteurs.
PROCESSUS DE FABRICATION DES BIOCARBURANTS
Source : IFP
En France, la moitié des carburants diesel ou essence distribués en 2006 contient déjà en moyenne 3 % de
biocarburants. La consommation de carburants destinés aux véhicules routiers se répartit en deux
grandes catégories : le gazole et les essences. Des biocarburants différents ont vocation à remplacer
chacune de ces deux catégories de carburants fossiles.
Le
document
ci-contre
montre
le
cheminement que suit le colza de son état
de plante à l’état de carburant.
Sur les 55 millions d’hectares que compte
le territoire français métropolitain (550000
kilomètres carrés), un peu plus de 28
millions d’hectares sont aujourd’hui occupés
par des activités agricoles.
D’après Ministère de l’agriculture :
http://agriculture.gouv.fr/quelle-part-du-territoirefrancais
1
LES BIOCARBURANTS DESTINÉS AUX MOTEURS DIESIEL
Ils sont tous produits à partir des acides gras issus de la filière huiles végétales (colza, tournesol, soja,
palme) ou de la filière des corps gras d’origine animale (graisses et huiles).
Le produit le plus fréquemment utilisé est l’Ester Méthylique d’Huile Végétale (EMHV), obtenu par
transestérification avec du méthanol. Il produit du biodiesel et de la glycérine utilisée en cosmétologie. Les
caractéristiques physico-chimiques de l’EMHV sont voisines de celles du gazole, ce qui permet de l‘utiliser
pur ou en mélange avec du gazole dans les moteurs diesel classiques pour les voitures.
 Les carburants diesel à faible teneur en EMHV
La réglementation européenne permet de distribuer des carburants contenant une faible teneur en
biocarburants sans indication spécifique à la pompe. Ainsi, de nombreuses pompes distribuent en Europe
des gazoles qui contiennent une faible teneur en EMHV sans information particulière pour le
consommateur. Les moteurs peuvent fonctionner normalement sans adaptation ni précaution particulière.
La France a récemment proposé à la Commission européenne de favoriser le développement du biodiesel
à 10 % (B10) d’EMHV.
 Les carburants diesel à forte teneur en EMHV
Le bio-diesel ou B30 est un carburant composé de 70 % de diesel d’origine fossile et de 30 % d’EMHV.
L’utilisation du B30 ne nécessite que des modifications et réglages mineurs des moteurs diesel.
Jusqu’à présent, l’utilisation de B30 est autorisée, exceptionnellement et par dérogation, pour les flottes
captives bénéficiant de moyens propres de distribution de carburant et lorsqu’elles en font la demande.
Les huiles végétales brutes
Ce sont les huiles produites à partir des plantes oléagineuses par pression, extraction ou procédés
comparables, brutes ou raffinées, mais sans modification chimique. Depuis le 1er janvier 2006, les
agriculteurs produisant les plantes destinées à la fabrication d’huiles végétales sont autorisés à utiliser
ces dernières en autoconsommation, pour une utilisation à des fins agricoles.
Depuis le 1er janvier 2007, la commercialisation des huiles végétales pures ou en mélange est autorisée
comme carburant agricole et pour les navires de pêche.
L’utilisation directe d’huile végétale, pure ou en mélange, peut conduire à une altération des systèmes de
combustion due à la formation de dépôts et à la dégradation des performances et de la qualité des
émissions, notamment dans le cas de moteurs diesel à injection directe.
Dans tous les cas l’utilisation des huiles végétales pures est de la responsabilité de l’utilisateur final ; celuici doit s’assurer de la compatibilité du moteur et du respect des normes d’émission
LES BIOCARBURANTS, UN DÉVELOPPEMENT DANS LE MONDE ENTIER
Le continent américain a donné l’impulsion au reste de la planète sur le bioéthanol. Plus de 75 % de la
production de bioéthanol, principal biocarburant produit, est réalisé sur le continent américain.
L’exemple brésilien,
Il y a, par exemple, aujourd’hui 346 usines d’éthanol en fonctionnement. En outre 46 sont en construction,
47 nouveaux projets viennent d’être approuvés et 172 sont en cours d’étude. La production annuelle
actuelle est d’environ 170 millions hL d’alcool utilisés dans les moteurs à essence.
La production de biodiesel est beaucoup plus récente et
reste de taille modeste. Il faut rappeler que par
exemple, au Brésil, grand producteur de bioéthanol, le
diesel est réservé aux véhicules utilitaires pour donner
la priorité aux véhicules utilisant de l’éthanol local.
Les biocarburants en Asie : une réponse à
l’augmentation rapide des importations de produits
pétroliers
Les besoins énergétiques des pays asiatiques
augmentent à un rythme très élevé. Plusieurs pays
asiatiques ont décidé récemment de développer l’usage
des biocarburants en mélange dans les carburants
fossiles pour réduire leur facture pétrolière.
2
Et en Europe…
Dès 2001, La Commission européenne incitait les États-membres à prendre des dispositions pour
développer les énergies renouvelables.
Dans cette perspective, la plupart des pays européens décidaient de développer leur production. La
Commission européenne traçait alors de premiers objectifs chiffrés en 2003 qu’elle propose de revoir à la
hausse dans une récente communication. Si la question des biocarburants devient l’un des enjeux majeurs
des politiques agricole et énergétique de l’Europe, d’autres pays se sont également lancés dans la
fabrication de carburants issus de la matière végétale.
Quelle est la situation de la France ?
Répartition de la consomm ation
annuelle de carburant (2014)
Super
19%
Gazole
81%
D’après les chiffres de l’union française des industries
pétrolières et de la direction générale de l'énergie et du climat,
la consommation annuelle de carburant (gazole+ super) en France
au cours de l’année 2014 (novembre 2013-novembre 2014) est de
3
49 765 840 m .
Ces chiffres montrent l’étendue du marché concerné par les
biocarburants. À l’heure actuelle seule une petite fraction de ces
quantités est issue de biocarburants, le reste venant encore de
ressources fossiles.
LES BIOCARBURANTS, UNE CONTRIBUTION À LA LUTTE CONTRE L’EFFET DE SERRE.
 L’effet de serre, un équilibre fragile à préserver
L’effet de serre est un phénomène naturel de captation par l’atmosphère d’une partie du rayonnement
solaire renvoyé par le sol. Il joue un rôle important dans la régulation de la température moyenne de notre
planète. Le dioxyde de carbone (CO 2) contribue pour plus de 2/3 à l’effet de serre, le solde correspondant
à la présence dans l’atmosphère de méthane (CH 4 ), de protoxyde d’azote (N 2O) et de gaz fluorés.
Cependant, la concentration excessive de ces gaz et en particulier du CO2 issu de l’utilisation des
combustibles fossiles (gaz, pétrole et charbon), a pour conséquence une augmentation de l’effet de serre
et donc un réchauffement de l’atmosphère susceptible d’être à l’origine de perturbations climatiques
majeures pour notre planète.
 Les biocarburants participent à cette stratégie de lutte…
Comparés aux carburants pétroliers, les biocarburants permettent une réduction sensible des émissions
de gaz à effet de serre. Cette réduction est directement liée au processus de photosynthèse, principal
source d’énergie pour l’homme et qui permet aux plantes de transformer l’énergie lumineuse en énergie
chimique en consommant le gaz carbonique de l’air. L’énergie fossile (charbon, pétrole, gaz) est le résultat
d’une activité photosynthétique intense datant de plusieurs centaines de millions d’années. En brûlant la
biomasse par exemple, bois, paille…, on restitue l’énergie sous forme de chaleur. Au cours de cette
réaction de combustion, le carbone organique C redevient du gaz carbonique CO 2. Le cycle (voir cidessous) est bouclé et, contrairement aux autres réactions de combustion, celle-ci n’entraîne aucune
accumulation supplémentaire de gaz à effet de serre dans l’atmosphère.
3
COMPARAISON HUILE-ESTER
La première différence entre l’huile de colza et le diester est économique : l’huile n’est pas un carburant
autorisé pour rouler sur route car elle n’est pas soumise à la taxation sur les carburants (la TIPP).
Cependant certains agriculteurs utilisent de l’huile de colza pour leurs tracteurs via un système de double
réservoir dans les champs : ils ne sont pas soumis à l’exigence de la loi sur le carburant puisqu’ils ne
circulent pas sur le réseau routier français.
La deuxième différence est que l’huile est utilisable uniquement sur les tracteurs. L’utilisation sur des
moteurs diesels n’a pas été validée par les constructeurs, en raison d’un usage conditionné par une
certaine température ainsi que des propriétés physico-chimiques trop éloignées du gazole ou qui ne
respectent pas les normes européennes
 Propriétés :
Pour savoir si le composé étudié possède les qualités d’un bon carburant, on étudie les propriétés
suivantes :
 Indice cétane :
L'indice de cétane évalue la capacité d'un carburant à s'enflammer. Cette caractéristique est
particulièrement importante pour le gazole où le carburant doit « s'auto-enflammer » sous l'effet de la
compression de l'air enfermé dans le cylindre.
Le zéro de l'échelle de cet indice est donné par la valeur du méthylnaphtalène qui a une forte résistance à
l'inflammation et la valeur 100 est donnée par le cétane qui s'enflamme facilement.
 PCI massique :
Il s’agit de la quantité d’énergie libérée lors de la combustion d’un kilogramme de carburant.
Caractéristiques physico-chimiques :
Caractéristiques
Indice cétane
PCI massique à 20°C en kJ.kg
-1
Masse volumique (kg/m 3, à 15°C)
Gazole
Esters de
colza
(EMC)
49 à 51,5
50 à 52,5
42300
37700
830
880
Remarques
Les pouvoirs d’auto-inflammation sont
similaires (7% d’écart relatif)
Les PCI de l’ester sont plus faibles
Les valeurs sont similaires
Les propriétés des esters éthyliques obtenus lors de la réaction de transestérification sont alors proches
de celles du diesel.
Ainsi, étant donné les similitudes, il semble possible de substituer l’EMC au diesel soit de façon partielle soit
de façon totale. En pratique, on utilise le plus souvent un mélange de diesel et d’EMC.
Sources :
 Ministère de l’agriculture, de l’agroalimentaire et de la forêt www.agriculture.gouv.fr
particulier
le
rapport :
Les
biocarburants,
une
chance
www.agriculture.gouv.fr/IMG/pdf/biocarburants_240407.pdf
 TP olympiades de la chimie 2007 : Académie de Besançon et Strasbourg
4
pour
notre
et en
pays
Informations im portantes pour la séance de T.P. :
Vous devrez, au cours de la séance, consigner toutes les informations utiles dans un « cahier de
laboratoire ».
Un cahier de laboratoire remplit plusieurs fonctions. Il permet de :

jouer le rôle de support lorsque vous appelez le professeur ;

noter les observations expérimentales et leurs interprétations à l’aide de connaissances personnelles
et/ou de données fournies ;

consigner les conditions expérimentales réelles et d’en justifier certaines ;

conclure et répondre, s’il y a lieu, à la problématique.
On rappelle que normalement, il s’agit d’un simple cahier sans indication particulière.
De plus, pour vous inciter à écrire des informations au cours du TP, le symbole
sera indiqué. Il doit
vous permettre de vous poser des questions sur ce que vous allez faire (quel matériel, aspect du milieu
réactionnel, remarques sur le protocole…) et le consigner sur votre c ahier de laboratoire. Les enseignants
sont bien sûr là pour vous aider à compléter ce cahier de laboratoire mais il faut que vous soyez de plus
en plus autonome avec cet outil en vue du concours régional.
Il faudra vous attendre à ce que toutes les indica tions ne vous soient pas données lors du concours
régional.
Le but de cette séance est :
 de réaliser la synthèse par transestérification d’un biodiesel : l’EEC,

d’isoler l’EEC des autres substances présentes dans le m ilieu réactionnel

de déterminer l’im pact sur les surfaces agricoles française s d’une culture de colza en vue
d’une utilisation intensive de biodiesel. (à faire pendant les temps d’attente de la partie
expérimentale après avoir rédigé au fur et à mesure le cahier de laboratoire)
Synthèse de l’ester éthylique de colza (EEC) :
La diminution des réserves pétrolières, l’augmentation de la pollution, les craintes suggérées par le
réchauffement planétaire et cependant la nécessite de se déplacer sont autant de phénomènes qui nous
poussent à trouver de nouveaux carburants pour nos transports : les biocarburants. L’objectif est de
mettre au profit du secteur de l’énergie les compétences de la chimie.
Il existe plusieurs biocarburants, ainsi que d’autres carburants « propres », pour cette étude,
Il a été choisi de traiter l’exemple de l’EEC –Ester Éthylique de Colza–
Document1 : Données caractéristiques des réactifs et substances utilisées
Ethanol
Masse molaire
(g.mol -1 )
46
Masse volum ique
à 25°C (g.cm -3 )
0,79
Température d’ébullition
sous pression normale (°C)
79
Solubilité dans
l’eau
Très soluble
Glycérol
92
1,26
290
Oui
EEC
≈ 310
0,89
> 200
Non
Huile de colza
≈ 884
0,92
> 200
Non
Nom
Indice de réfraction de l’éthanol : n(éthanol) = 1,36
5
Pictogrammes de
sécurité
éthanol
Mentions de
danger
H225
H302
acide acétique
glacial
H226
H314
hydroxyde de
sodium en
pastilles
H314
Conseils de prudence
P210
P260
P210 ; P233 ; P240 ; P241 ; P242 ; P 501
P243 ; P260 ; P264 ; P280 ; P310 ; P321
P338 ; P363 ; P405
P301 + P330 + P331 ; P304 + P340
P303 + P361 + P353
P305 + P351 + P338
P403 + P235 ; P370 + P378
P280 ; P309+P310
P301+P330+P331
P305+P351+P338
Document 2 : Composition de l’huile de colza
L’huile brute est ensuite raffinée, on obtient l’huile que l’on
utilise entre autre pour le secteur alimentaire. Elle est
composée de plusieurs acides gras sous forme d’ester, dont
les proportions et formules sont les suivantes :
L’huile de colza est constituée essentiellement de trioléate
de glycéryle (63 %) , trilinoléate de glycéryle (19%) et de
trilinolénate de glycéryle (9 %) qui sont des triesters du
glycérol (propan-1,2,3-triol) et d’acides gras insaturés et
d’autres triester d’acide gras saturés.
Le triester de l’acide oléique est le composé majoritaire de
cette huile, pour simplifier on peut considérer qu’il est le
seul ester présent dans l’huile de colza.
La formule chimique de l’acide oléique est C 18H34O 2 (ou
CH3(CH2) 7CH=CH(CH 2)7 COOH). Son nom IUPAC est Acide cis-9octadécamonoénoïque. Sa formule topologique est :
Acide
alphalinolénique
(polyinsaturé)
9%
Autres
9%
Acide
oléique
(monoinsaturé)
63%
Acide
linoléique
(polyinsaturé)
19%
Composition de l’huile de colza : pour
simplifier, on indique ici les acides
carboxyliques à l’origine des différents
triesters
R
R
H2C
L’huile de colza a donc pour formule approchée :
HC
H2C
Document 3 : la transestérification
O C
O
R
O C
O
R
O C
O
 Définition :
Il s'agit de la réaction d'un ester sur un alcool pour donner un autre ester:
O
O
+
R C
O
R2
+
R C
OH
O
R1
R1
OH
R2
C'est une réaction renversable, catalysée par un acide ou une base. Pour rendre la réaction complète, on
met un gros excès d'alcool R 2-OH qui sert souvent de solvant. Le chauffage du milieu réactionnel augmente
6
la cinétique de cette réaction mais il faut alors faire attention aux vapeurs de solvant qui sont
susceptibles de se libérer en entrainant de la matière du milieu réactionnel et créant ainsi des pertes.
L'huile de colza, comme les autres huiles végétales, est constituée d'esters du glycérol et d'acides gras,
appelés triglycérides. L’EEC est en effet le produit de la transestérification des triglycérides contenus
dans l’huile de colza avec de l’éthanol.
Avantage de cette technique dans l’objectif d’obtenir un biocarburant.
La transformation des huiles ou des graisses en esters éthyliques permet de réduire la masse moléculaire
à un tiers de celle de l’huile, de réduire la viscosité d’un facteur huit, de réduire la densité et d’augmenter
la volatilité.
Document 4 : séparation d’espèces chim iques
Extraire une espèce
chimique
l'espèce chimique est
une espèce d'un
mélange hétérogène
l'espèce chimique est
liquide et contenue
dans un mélange
homogène
l'espèce chimique est
liquide et présente
dans une des phases
liquide
l'espèce chimique à
extraire est solide
Extraction par solvant
Filtration sous vide
ou décantation
Distillation
fractionnée
❶
❷
À partir des documents, voici des éléments de protocole qu’il faudra compléter tout en tenant à jour le
cahier de laboratoire.
Étape no1 : Synthèse de l’EEC
1) On dissout 0,45 g d’hydroxyde de sodium en pastille dans 25 mL d’éthanol absolu. La dissolution
étant très lente, la solution a préalablement été préparée par agitation et léger chauffage
.
2) Dans un erlenmeyer de 250 mL, introduire un barreau aimanté, 50,0 g d’huile de colza et 25 mL de
soude alcoolique.
7
3) Finir le montage pour optimiser le rendement de la réaction tout en tenant compte des impératifs
liés à la sécurité.
Le temps de réaction est estimé à 45 minutes en maintenant une agitation forte du milieu réactionnel
Étape no2 : Extraction et purification
partielle de l’esterDonnées liées à la miscibilité
Le but de cette étape est de séparer l’ester
EEC
Miscible
Non
miscible
Ethanol
Eau salée
saturée
EEC
du reste du milieu réactionnel.
Glycérol
Miscible
Miscible
Non miscible
4) Après observation du milieu réactionnel refroidi. Éliminer avec soin le glycérol (et le conserver :
étape n°3).
5) Laver la phase contenant l’ester avec 25 mL d’une solution d’eau salée saturée.
6) Isoler l’ester en mettant en place le protocole adéquat.
(faire ne parallèle la partie 2bis)
7) Afin d’identifier le distillat, on se propose de déterminer l’indice de réfraction de ce dernier à l’aide
d’un réfractomètre.
. Est-ce normal que cette espèce chimique soit encore présente suite à la
transestérification ?
Étape no2 bis : Identification du glycérol formé (à faire en parallèle de l’étape 2)
L’identification du biocarburant étant difficilement réalisable au lycée, on se propose d’identifier l’autre
produit de la réaction de transestérification, le glycérol.
Par CCM
On se propose de réaliser une chromatographie sur couche mince (CCM) du glycérol.
 Préparation de la cuve (à faire au début du TP !)
8) Verser dans la cuve (bécher haut) 10 mL de l’éluant constitué de : 90% n -butanol, 9% eau-distillée,
1% acide acétique glacial. Toutes ces molécules sont polaires.
9) Placer une bande de papier filtre ( 4 cm de large) verticalement contre la paroi intérieure de la
cuve et couvrir avec le couvercle. Ceci pour permettre la saturation de la cuve en vapeur de
d’éluant.
 Dépôts des mélanges et des références .
On utilise une plaque avec gel de silice. Déposer avec un capillaire une goutte (2 dépôts) de chacune des
solutions : du glycérol pur et du glycérol synthétisé.
 Elution.
10) Sécher les dépôts et placer la plaque verticalement dans la cuve, ne plus déplacer celle-ci pendant
l’élution.
11) Quand le front de l’éluant arrive sur le trait marqué, retirer délicatement la plaque et sécher celle ci avant de faire la révélation.
 Révélation par le permanganate de potassium
12) Le développement terminé, sécher, puis révéler à l’aide d’une solution basique de permanganate
de potassium.
8