Le but est de concevoir l’usine chimique du futur, plus compacte, plus sûre , plus économe. Le projet labellisé en 2005, durera quatre ans et mobilise 15 millions d’euros de crédits. Le projet est soutenu par Arkema, Rhodia, ‘Institut Français du Pétrole et le CNRS Sophie Jullian, directrice du développement de l’Institut Français du Pétrole à Solaize et vice-présidente d’AXELERA explique la démarche.
Faire de la chimie, c’est transformer la matière, prendre des atomes et des molécules dans un certain état d’organisation et les réarranger. Faire de la chimie, c’est avoir besoin d’énergie pour casser des molécules, les modifier, en créer, les réassortir. C’est aussi produire des déchets, et parfois générer des risques. Plus les molécules sont grosses et plus les quantités d’énergie en jeu sont importantes. Plus le poste énergie pèse relativement lourd dans les dépenses.
Aller au coeur des réactions
Depuis longtemps, les raffineurs de pétrole ont cherché à économiser l’énergie. Pour d’autres secteurs, comme la chimie productrice d’intermédiaires , la chimie fine, la pharmacie, le poste énergie a longtemps été relativement moins important par rapport au poste recherche, source de la valeur ajoutée. Les temps ont changé. L’augmentation du prix de l’énergie et des matières premières a accru le poids du poste énergétique dans le coût du processus. Et on sait que l’énergie a aussi des impacts environnementaux. « Les industries de transformation se sont préoccupées de plus en plus du poids de l’énergie dans leur activité » explique Sophie Jullian, vice-présidente du pôle AXELERA en charge du programme « Intensification des procédés »
Trois attitudes possibles
Pour réduire la consommation d’énergie et de matières, trois types d’attitudes peuvent être adoptés. Certaines solutions n’appellent pas d’investissements. Il peut s’agir d’un problème de comportement, comme le fait d’éteindre la lumière dan une pièce. On peut aller plus loin en développant les bonnes pratiques » Les résultats sont limités. « On peut aussi réaliser des investissements ponctuels, pour des équipements moins gourmands en énergie. Comme le particulier qui change ses ampoules à incandescence pour des lampes basse consommation. » explique Sophie Jullian.
L’intensification des procédés est une approche radicalement différente. Elle a pour but de créer des ruptures en intervenant au cœur même des procédés. L’amélioration de l’intensification des procédés commence par une étude précise des phénomènes chimiques. Des outils permettent aujourd’hui de connaissance la cinétique des processus chimiques, de savoir comment les atomes et les molécules bougent lors de procédés qui produisent de l’énergie ( exothermiques) ou qui en absorbent ( endothermique) La recherche doit savoir comment fonctionnent les réacteurs dont les parois reçoivent de l’énergie de l’extérieur ou évacuent l’énergie des réactions. L’adaptation de la taille des parois des réacteurs, a un intérêt évident. Des réacteurs de bonne dimension permettent de réaliser des économies d’énergie en apportant cette dernière à la réaction et non pas au réacteur.
Réactions simultanées
Longtemps la chimie a réalisé des réactions séparées, en les sectionnant. « L’intensification des procédés peut consister à réaliser plusieurs réactions en même temps, par exemple une distillation et une séparation » explique Sophie Jullian. Réaliser des réactions simultanées permet de gagner d’économiser de l’énergie, de l’eau.
Le troisième axe de recherche concerne la sécurité. Jusqu’à présent, les connaissances relativement limitées des réactions chimiques ont fait prendre des marges de sécurité très larges pour la conception des réacteurs. On connaît encore mal certains mécanismes d’emballements, donc les causes de risques pour les installations, les hommes, l’environnement. En connaissant mieux les mécanismes chimiques, en réduisant les quantités de produits manipulées, on peut imaginer des équipements plus sûrs, mais aussi plus économes. La réduction de la taille apporte l’assurance que les risques de rejets de toxiques ou d’explosion seront fortement réduits.
Nouveaux équipements
Les recherches menées en matière d’intensification des procédés vont modifier radicalement le paysages chimique. Elles aboutiront à la création de nouveaux équipements de production industrielle, permettre la réalisation de robots.
D’autres méthodes pourront être mises en œuvre, pour optimiser la conduite des réactions chimiques. Aujourd’hui, la conduite des procédés est effectuée en fonction de règles solidement établies, quelques adaptations étant prévues pendant le déroulement des processus eux-mêmes. Mais les modifications profondes ne peuvent souvent être décidées qu’avec un retour d’expérience prolongé. L’arrivée d’outils mathématiques plus performants, permet d’envisager une conduite en temps réel. Cela suppose d’avoir des données en temps réel sur les réactions, et des modèles. L’usine chimique du futur, sera moins manuelle, et plus automatisée, avec un suivi en temps réel des réactions, grâce à des réseaux de capteurs, grâce à l’application de modèles.
Ces travaux et ces résultats ont été rendus possibles par la multiplication des liens permis par le pôle de compétitivité AXELERA. Laboratoires spécialisés, universités, école, entreprises ont développé leurs échanges. Des outils comme des équipements d’imagerie par résonance magnétique nucléaire ont été plus largement utilisés en commun. Les coopérations plus larges ont permis d’aborder de nouveaux thèmes. Laboratoires privés et publics envisagent des coopérations avec les fabricants d’instruments et des producteurs d’équipements. Des ateliers vont être organisés, entre thésards, entreprises et équipementiers, comme ce sera le cas lors de la prochaine édition de Pollutec.
Pour en savoir plus sur le pôle Axelera: www.axelera.org