39e Olympiades de la Chimie
Rubrique(s) : Événements
Les 39e Olympiades Nationales de la Chimie se sont déroulées cette année sur le thème « Chimie et Cosmétique ». La Fondation de la Maison de la chimie, partenaire historique des ONC félicite les lauréats récompensés à l’issue des épreuves.
Revivez les 2 journées du concours scientifique et du concours Parlons chimie 2023 en vidéos.
Tous les résultats sont sur le site des ONC.
Et retenez que le thème pour l’année prochaine sera « Chimie et sport » à l’occasion des Jeux Olympiques Paris 2024.
Les mers et océans représentent 71 % de la surface totale de notre planète pour un volume de près de 1,33 milliard de km3 (soit 98 % des eaux de la planète) et une profondeur moyenne de 3 700 mètres. Contrairement aux écosystèmes terrestres, les écosystèmes marins restent encore très peu explorés : on estime que seulement 5 % des espaces marins ont à ce jour fait l’objet d’études approfondies. Il est vrai que c’est seulement au XXe siècle que l’on a commencé à disposer de technologies et d’équipements adaptés pour explorer les grands fonds (jusqu’à près de –11 500 m dans la fosse des Mariannes). L’extrême diversité de sa faune, sa flore, ses ressources, son potentiel énergétique… font de l’espace marin une réserve de richesses dont on a du mal aujourd’hui à en évaluer l’étendue.
Source : Série Les chimistes dans
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La chimie inquiète pour l’avenir ?
Rubrique(s) : Événements
Fin avril une déclaration de France Chimie qui regroupe la plupart des industries chimiques en France a fait état de ses préoccupations face à l’inflation, à la crise de l’énergie et à la perte de compétitivité face aux États-Unis.
L’industrie chimique européenne très énergivore a subi de plein fouet l’inflation des matières premières et le coût de l’énergie qui ont entamé sa compétitivité. Elle a vu sa productivité chuter de 6,2% en 2022 (11% en Allemagne) avec des périodes d’arrêt de production. En France le secteur s’est montré plus résilient avec une baisse en volume de 3%. C’est le secteur amont de chimie minérale et de chimie organique qui a le plus reculé (10%) comme ses voisins européens, avec comme exemples l’ammoniac et le PVC lourdement handicapés par le coût du gaz et de l’énergie. Dans l’Hexagone ce recul a été compensé par le secteur aval où les spécialités n’ont baissé que de 1,9% alors que celui des savons, cosmétiques et produits d’entretien a lui au contraire progressé de 6% en 2022. Une des caractéristiques de la chimie française est que ce secteur de spécialités des parfums, cosmétiques et détergents représente près de 60% de la valeur ajoutée.
La chimie reste encore le premier secteur exportateur avec 81,5 milliards d’euros devant l’agroalimentaire et un solde positif de 9,5 milliards devant l’aéronautique. En 2022 les investissements ont progressé de 7% à plus de 6 milliards d’euros, portée par le plan de relance France 2030. Ce sont surtout des projets de croissance et plus de 250 projets industriels sur le recyclage notamment des plastiques, sur la transition énergétique et écologique (1) et sur les filières haute performance comme celles des batteries et l’hydrogène. La branche emploie 225.000 salariés (2) et renouvelle ses compétences avec une nouvelle croissance de ses effectifs en accueillant 25.000 nouveaux employés y compris les alternants (3) .
Les perspectives pour 2023 ne sont pas flamboyantes, l’inquiétude vient du plan de soutien aux industries vertes aux États-Unis. Lourd de 400 milliards d’aide publique « l’Inflation Reduction Act » (IRA) va augmenter encore le manque de compétitivité européen. Les exemples du PVC et surtout de l’hydrogène décarboné (4) sont très illustratifs. Alors qu’en Europe son prix est de l’ordre de 5 à 7 euros le kilo aux États-Unis revient à 2 euros et même moins s’il est issu de l’électrolyse alimentée en électricité par l’énergie nucléaire. France Chimie demande à ce que les aides dans les projets d’investissements soient accrues comme aux USA et pousse à une réforme du marché de l’électricité en Europe, seuls moyens de conserver une industrie chimique sur notre continent.
Jean-Claude Bernier
avril 2023
Pour en savoir plus
(1) Pour une industrie chimique propre et durable, C. Agouridas, J.-C. Bernier, D. Olivier et P. Rigny in La chimie et la sécurité des personnes, des biens, de la santé et de l'environnement, collection Chimie et... Junior, EDP Sciences, Fondation de la Maison de la Chimie (2016)
(2) Les chimistes dans l’industrie chimique, fiche Les Chimistes dans…, site Mediachimie.org
(3) Village de la Chimie - 10 et 11 février 2023 , site Mediachimie.org
(4) Les derniers résultats de la production de l’ hydrogène « décarboné », Zoom sur... , site Mediachimie.org
Crédit illustration : Image par Talpa de Pixabay
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Bactéries, antibactériens et résistance
Rubrique(s) : Zoom sur...
Les bactéries sont des cellules très simples protégées par une paroi et responsables d'infections quand elles pénètrent et se multiplient dans un endroit de l'organisme où elles ne devraient pas être. Pour combattre une infection, des antibactériens sont utilisés avec pour objectif d’inhiber les différents processus indispensables à la vie de la bactérie ciblée. Mais un grand nombre de bactéries ont développé des résistances aux antibactériens rendant la lutte contre les infections plus difficile.
Pour mieux comprendre comment la bactérie crée une infection, les processus mis en jeu par les antibactériens et la résistance des bactéries, accédez :
- au Zoom sur les bactéries et les antibactériens
- et au Zoom sur la résistance des bactéries aux antibactériens
Crédits : illustration E. coli : Image par Gerd Altmann / Pixabay
L'objectif de la bactérie [1], qui est un procaryote donc dépourvue de noyau (fig. 1), est de se multiplier et « d'occuper le terrain ». C'est d'ailleurs pourquoi de nombreux antibactériens sont produits par des microorganismes, qui éliminent ainsi les concurrents pour être les seuls à disposer des ressources nutritives [2].
Figure 1
Comme on va le voir, les bactéries savent, depuis toujours, trouver des parades à tout ce qui peut perturber leur développement [3], et en particulier la présence d'agents antimicrobiens.
Elles peuvent devenir Résistantes (R) : la résistance aux antibactériens étant définie comme la capacité d'une bactérie à se multiplier en présence d'une concentration d'antibiotique supérieure à celle que l'on peut obtenir in vivo(i). Cela peut conduire à un échec thérapeutique.
Comment déterminer si une bactérie est sensible ou résistante ?
En cas d'infection persistante malgré un traitement approprié, ou dans les cas graves, le médecin fait un prélèvement(ii) et demande au laboratoire de réaliser un antibiogramme. Le principe est de cultiver la bactérie en présence de divers antibactériens et de voir si elle « pousse » ou si sa croissance est inhibée.
Il existe diverses méthodes plus ou moins automatisées, mais la plus simple à comprendre est d'opérer en boite de Pétri(iii). Sur un milieu nutritif et solide placé à 37°C pendant 15 à 24h les bactéries se développent (fig. 2a). Si avant de mettre à l'étuve on pose sur la boîte des disques de papier imprégnés de quantités standardisées de chaque antibactérien à tester, le diamètre d'inhibition de pousse autour de chaque disque indique le niveau de sensibilité de la souche à l'antibactérien : un contact indique que la résistance est élevée (fig. 2b). Ainsi, la bactérie représentée en jaune est très résistante (R) aux produits 1 et 4, résistante à 5 et sensible (S) à 2 et 3. On appelle Concentration Minimale Inhibitrice ou CMI la concentration d'antibactérien la plus faible pour laquelle il n'y a pas de croissance visible. Cette expérience est une expérience in vitro (fig. 3).
Figures 2a et 2b
Figure 3
Résistance naturelle
C'est une propriété commune à toutes les bactéries d'une même espèce, due le plus souvent à la nature des enveloppes de la bactérie (fig. 4). Chez les bactéries Gram -, le peptidoglycane est entouré d'une membrane externe asymétrique, dont la partie extérieure, le lipopolysaccharide(iv), empêche la pénétration des molécules hydrophobes à cause de la chaîne de sucres, et celle des hydrophiles à cause de la partie lipidique. Ce n'est que par des canaux emplis d'eau, les porines, que les antibactériens hydrophiles peuvent entrer. Certaines bactéries ont des porines très étroites – c'est le cas des mycobactéries – qui restreignent encore le passage, d’où une résistance importante.
Figure 4
Résistance aux antibactériens
La chimie des médicaments [4] et l’usage des antibactériens a révolutionné la mortalité par infection et à la fin des années 1960, le problème des infections bactériennes semblait résolu. Mais l’évolution naturelle des bactéries dans un environnement contenant des antibactériens les a conduites à développer des mécanismes de résistance, processus accru par l’usage inconsidéré des agents antibactériens. C’est un problème général auquel la France est bien loin d'échapper [5]. Chaque année en Europe, l'antibiorésistance provoque 30.000 morts, et la morbidité est aussi importante que celle de la grippe, de la tuberculose et du VIH/SIDA combinés. À côté du problème de la résistance proprement dite, les conséquences de l'usage accru des antibiotiques sont la multirésistance (une bactérie devient résistante à plusieurs antibactériens de familles différentes), la contamination de l'environnement par les antibactériens et leurs métabolites(v), qui finiront par être ingérés par les humains et les animaux, contaminant encore plus l'environnement. Concernant les antibiotiques donnés aux animaux soit pour raison prophylactique, soit comme stimulant de la croissance, cet usage est interdit en Europe, mais toujours existant aux États-Unis.
Les voyages plus fréquents, les rassemblements, facilitent la dispersion des germes résistants, par simple contact, hors infection. Enfin, les progrès de la médecine ont accru le nombre de personnes fragiles : personnes âgées, immunodéprimées (greffées), pathologies chroniques, porteurs de prothèses... Même la tuberculose, qui semblait éradiquée en France, s'y rencontre à nouveau.
N'oublions pas que la plupart des antibactériens sont d'origine microbienne, ce qui facilite la mise en œuvre de mécanismes de résistance préexistant(vi).
Mécanismes moléculaires de la résistance
Les principaux mécanismes sont schématisés figure 5 :
- empêcher la pénétration de l’antibactérien : modification des porines (Gram -) de la membrane externe
- éjecter l’antibactérien : pompes d’efflux (fig. 6) dans la membrane interne
- modification de l’antibactérien, qui ne sera plus actif : enzymes d’inactivation (fig. 7 pour la pénicilline)
- modification de la cible :
- plus grande quantité de cible, rendant la quantité d'antibactérien insuffisante,
- mutation de la cible, qui ne sera plus reconnue et fonctionnera à nouveau normalement.
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Figure 7
Bases génétiques de la résistance
Toute propriété est codée au niveau de l'ADN. Si le phénomène conduisant à la résistance est porté par le chromosome seuls les bactéries filles sont résistantes(vii).
Mais il existe des éléments mobiles, c'est à dire des fragments d'ADN autres que le chromosome, les plasmides par exemple (fig. 8), qui, s'ils codent pour la résistance, peuvent permettre sa dissémination rapide entre diverses bactéries. La figure10 montre que le plasmide d'une bactérie résistante « bleue » peut se dupliquer, puis une copie est transférée par contact avec une bactérie sensible « jaune », qui deviendra alors résistante.
Figure 8
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Figure 9
En conclusion, on voit que le problème de la lutte contre les infections est loin d'être résolu, qu'il faut que patients et prescripteurs sachent être raisonnables en respectant la consigne de la campagne d’information « les antibiotiques, c’est pas automatique », [6] et que l'industrie pharmaceutique ne néglige plus la recherche en antibiothérapie [4] [5].
(i) In vivo : sur un animal vivant ; in vitro : dans un tube à essais; ex vivo : sur un organe ou une cellule isolée.
(ii) Gorge, prélèvement d'urine, de crachat ou intervention plus invasive.
(iii) Du nom du bactériologiste allemand Julius Richard Petri (1852–1921), qui était l'assistant du docteur Robert Koch (découvreur du bacille de la tuberculose) et grand rival de Louis Pasteur : voir le livre « Peste et Choléra » de Patrick Deville.
(iv) Le mot lipopolysaccharide est composé de « lipo » : lipide et "saccharide": sucre.
(v) Quand on donne un médicament à un être vivant, son organisme le transforme (on dit « le métabolise ») en une molécule capable d'être éliminée, appelée métabolite.
(vi) Le producteur d'antibiotique ne doit pas être détruit par les molécules qu'il fabrique !
(vii) Ces bactéries filles coexistent au sein d’une population où il y a d'autres bactéries de même espèce, mais qui n'ont pas développé de résistance.
Pour en savoir plus
[1] Parasite, champignon, bactérie et virus : quelles différences ?, N. J. Moreau, Question du mois, Mediachimie.org (2020)
[2] Zoom sur les bactéries et antibactériens, N. J. Moreau, Zoom sur..., Mediachimie.org (2023)
[3] On regardera avec intérêt Bactéries, nos amies ? CERIMES (1 janvier 1990) Canal-u.tv
[4]Chimie et médicaments : un bel avenir !, B. Meunier, Colloque chimie et nouvelles thérapies (novembre 2019)
[5] Comment vaincre la résistance aux maladies infectieuses ?,B. Meunier, V. Jarlier et Ph. Guérin - article en partenariat Académie des sciences et le Figaro (mai 2013)
[6] Les antibiotiques : des médicaments essentiels à préserver, sur le site de la MGEN (novembre 2022)
Crédits :
- illustration : Image par OpenClipart-Vectors de Pixabay
- figures : © NJ Moreau
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Contre la sécheresse faut-il ensemencer les nuages ?
Rubrique(s) : Éditorial
Dès avril les média alertent les Français sur le faible niveau des nappes phréatiques et anticipent sur une crise de l’eau qui peut se produire en 2023 si la sécheresse due au manque de pluie s’installe à nouveau comme en 2022. L’an passé, 93 départements avaient pris des mesures de restriction d’usage de l’eau. En ce printemps, quelques communes font face à l’asséchement de leur réseau de distribution d’eau potable, d’autres mettent fin aux projets de nouveaux lotissements qui risqueraient de n’être pas alimentés. Les incidents violents dans les Deux-Sèvres entre les opposants aux réserves d’eau « les bassines » pour l’irrigation agricole et les forces de l’ordre montrent que les variations de la météo (1) peuvent enflammer nos concitoyens.
Comment faire pleuvoir ?
Et si nous nous intéressions aux nuages, sources d’eau, et pluies qui nous ont cruellement manquées en 2022. Les nuages sont composés d’une multitude de gouttelettes d’eau en surfusion qui ne demandent qu’à se transformer en glace, qui, en perdant de l’altitude, engendrent la pluie. Parlons un peu de ce phénomène physique qu’est la surfusion. En haute altitude, à des températures en dessous de zéro pour un liquide pur comme l’eau, sans impuretés, l’énergie libérée par la chaleur latente de solidification (2) ne compense pas l’énergie nécessaire pour créer l’interface solide–liquide. Cet état méta stable est perturbé par des germes comme des poussières, des aérosols, ou un abaissement brutal de la température, causes qui permettent à des micro-cristaux de glace (3) de se former et de croître en capturant l’eau des gouttelettes voisines ou en agglutinant d’autres cristaux.
Pour favoriser ces phénomènes, il y a deux types d’ensemencements ; le premier pour éviter la grêle on disperse de grandes quantités de particules d’iodure d’argent (AgI) qui est insoluble dans l’eau mais qui a une structure cristalline proche de celle de la glace. Ces milliards de petites particules vont multiplier les noyaux de croissance de cristaux de glace, empêcher qu’ils grossissent et favoriser leur fonte. Le second est d’ensemencer avec des sels solubles dans l’eau comme le chlorure de sodium, ils vont alors dissoudre la glace formée (4) et transformer les cristaux ou grêlons en gouttes de pluie. Il y a une troisième variante celle où est déversée de la glace sèche (de la neige carbonique) ou même de l’azote liquide, l’abaissement brutal de la température va former une myriade de cristaux de petite taille qui vont fondre rapidement en pluie dans les couches atmosphériques plus chaudes.
Une technique généralisée
Historiquement l’ensemencement des nuages pour provoquer la pluie a été utilisé en 1946 dans la région de New-York où sévissait une sécheresse durable. Elle s’est ensuite généralisée dans plusieurs pays du monde. En France c’est l’Anelfa (Association Nationale d’Études et de Lutte contre les Fléaux Atmosphériques) qui dès 1951 a mis en étude cette pratique en liaison avec des universités, notamment dans les régions vinicoles sujettes aux orages de grêles. Elle a mis au point un générateur de noyaux de congélation. À partir du sol les nuages vont pomper par courant ascendant l’humidité et les milliards de particules d’iodures d’argent dispersés à partir de quelques grammes d’AgI. Pour être efficace il faut intervenir le plus vite possible sur le nuage orageux, car lorsque la grêle s’est déclenchée on ne peut la stopper. D’autres moyens sont utilisés avec des mortiers qui lancent des fusées dispersant l’iodure dans le nuage ou des ballons qui supportent la charge d’iodure et commandés à distance lorsque le ballon est au-dessus du nuage. De nombreux pays ont recourt à ces techniques ; plus d’une dizaine de pays africains devant faire face aux pénuries d’eau les utilisent pour faire pleuvoir. Aux Émirats arabes unis de grosses quantités d’iodure semées par avion ont même réussi à faire tomber de la neige. La Chine a un ambitieux programme d’ici 2025 sur la moitié de son territoire soit plus de 5 millions de km2 de « géo-ingénierie » qui n’est pas sans inquiéter ses voisins. Car il n’y a pas de murs aux frontières entre les pays. On a ainsi vu l’Iran protester contre les programmes d’ensemencement d’Israël et des Émirats, les accusant de voler les nuages et donc la pluie à leurs profits. En réalité s’il est possible de faire pleuvoir un nuage plus vite que prévu, sous un ciel clair bien bleu il est impossible de créer un nuage qui va précipiter.
Une efficacité discutée
La communauté scientifique reste très mesurée sur l’efficacité des ensemencements. L’Anelfa, qui a un très bon réseau en France soutenue par les régions, a mis en place des « grêlomètres » et affirme qu’il y a une réelle diminution de 50% de l’intensité de la grêle lorsque les générateurs sont mis en action suffisamment tôt. Les experts de l’Organisation Météorologique Mondiale (OMM) restent prudents sur la modification du temps (5) et soulignent que même s’il reste difficile de faire pleuvoir là où on veut, la recherche et les techniques se sont intensifiées et ont bien progressé avec le changement climatique. Reste un dernier point polémique la toxicité possible de l’iodure d’argent dans l’environnement qui sous les rayons UV du soleil se transforme en argent et en dérivés de l’iode. D’après l’Anelfa les quantités libérées sont 1000 fois inférieures au seuil de toxicité.
Un nouveau plan sur l’eau en France
Le président E. Macron a présenté le 30 mars un certain nombre de mesures pour planifier la gestion de l’eau en France ; bien sûr l’ensemencement des nuages n’en fait pas partie, mais quantité d’objectifs concernant l’anti-gaspi et la sobriété sont sous-tendus de budgets chiffrés. Quoique l’opinion publique puisse penser, la France n’est pas trop mal dotée (6) avec une moyenne de précipitations de 935 mm/an (avec bien sûr de grandes disparités régionales) c’est environ 500 milliards de m3 d’eau qui nous tombent dessus. Les prélèvements sont de l’ordre de 32 milliards dont une grande partie est restituée, la consommation en eau potable représente une faible partie de l’eau consommée, sa production est de l’ordre de 5 mrds m3. Or on sait que le réseau de distribution de 850 000 km qui commence à dater devrait être mieux entretenu car plus de 20% du débit est perdu et gaspillé par des fuites permanentes ou occasionnelles soit presque 1 mrd m3, on est évidemment loin des quelques millions de m3 obtenus par ensemencement et l’urgence est bien de mettre tout en œuvre pour réparer et moderniser le réseau d’ici 2030.
Jean-Claude Bernier
avril 2023
Pour en savoir plus
(1) Fluctuations climatiques extrêmes et sociétés au cours du dernier millénaire, E. Garnier, colloque Chimie et changement climatique (novembre 2015)
(2) Changement d’état, vidéo Palais de la Découverte
(3) Comment est la neige cet hiver ?, Question du mois, site Mediachimie.org
(4) Pourquoi met-on du sel sur les routes lorsqu’il gèle ?, Question du mois, site Mediachimie.org
(5) Faut-il fertiliser l’océan pour contrôler le climat ?, S. Blain, Colloque La chimie et la mer (2009)
(6) L’eau, une ressource indispensable pour la ville, A. Charles, A. Harari, et J. C. Bernier, fiche Chimie et… en fiches, Mediachimie.org
Crédit illustration : Łukasz Cwojdziński / Pixabay
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Avec quels matériaux sont fabriquées les éoliennes et comment les recycler ?
Rubrique(s) : Question du mois
Comment fonctionne une éolienne ?
L’éolienne ou « aérogénérateur » est la version moderne du moulin à vent dont l’utilisation remonte au 7e siècle en Asie Mineure. Son nom vient d’Éole, « dieu du vent, vif, rapide, inconstant ».
Elle transforme l’énergie cinétique du vent - gratuite, renouvelable mais intermittente - en énergie mécanique. Celle-ci est ensuite convertie en énergie électrique via un alternateur. Par exemple dans une éolienne à entrainement direct, le vent agit sur des pales qui entraînent la rotation d’un axe (ou arbre) sur lequel est fixé un aimant cylindrique, lui-même placé au sein d’un bobinage en cuivre (stator), ce qui induit une tension électrique aux bornes de celle-ci.(i)
Cette électricité est ensuite acheminée à l'aide de câbles conducteurs vers le lieu de stockage ou d’utilisation.
L’alternateur transforme l’énergie mécanique (rotation d’une roue sous l’effet d’un courant liquide ou gazeux) en énergie électrique. C’est l’élément de base des centrales électriques à charbon, gaz ou pétrole ainsi que des centrales nucléaires et des éoliennes. Source : De la force musculaire aux énergies renouvelables in La chimie, l'énergie et le climat, collection Chimie et... Junior, EDP Sciences, Fondation de la Maison de la Chimie (2017) p. 29
Quels éléments constituent une éolienne ?
Une éolienne comporte 3 parties principales :
- Une tour (ou mât) qui élève le système dans les zones ventées. Elle est en acier et/ou en béton, solidement ancrée dans le sol ou dans les fonds marins s’ils sont peu profonds au voisinage des côtes. Il existe aussi désormais des éoliennes flottantes en pleine mer (offshore) ancrées aux fonds marins par des câbles.
Le mât peut atteindre plus de 100 m de hauteur et ses fondations accueillent une masse de béton d’environ 600 à 800 tonnes (95% du poids de l’éolienne…). - Les pales (au nombre de deux ou trois) qui tournent sous l’action du vent peuvent avoir de 25 à 50 mètres de long. Elles doivent donc être mécaniquement solides, légères et résistantes à la corrosion. C’est pourquoi, pour pouvoir les mouler, elles sont fabriquées jusqu’à ce jour dans un matériau composite thermodurcissable(ii), qui répond à ces contraintes et qui est constitué de fibre de carbone ou de fibre de verre piégées dans une résine(iii) époxy ou polyester(iv). Malheureusement les polymères thermodurcissables ne sont pas recyclables. De nouvelles résines à caractère thermoplastique et recyclables voient le jour(v).
- La nacelle qui est le cœur de la machine. Elle abrite tous les composants essentiels qui transforment l'énergie cinétique du vent, en énergie mécanique de rotation et in fine en électricité.
On y trouve :- Un système mécanique d’engrenages et de moyeux pour la transmission et l’accélération de la rotation produite par le vent.
- L'alternateur ; certains des aimants permanents utilisés contiennent au moins un des éléments magnétiques suivants : fer, cobalt ou nickel, alliés à des métaux de terres rares (néodyme, dysprosium, samarium).
L’alliage à base de fer, néodyme et bore, noté FeNdB (de formule exacte Nd2Fe14B) est un exemple d’aimant puissant. À ce jour, l’usage de ces aimants puissants concerne essentiellement les éoliennes en mer, avec la technologie synchrone à entrainement direct et seulement 6,2% des éoliennes terrestres françaises recourent à celle-ci(vi). Les câbles pour injecter l’électricité produite dans le réseau ou pour la stocker via des stations de transfert d’énergie par pompage (STEP) ou dans des batteries.
Pourquoi et comment recycler une éolienne ?
La durée de vie moyenne est de 25 ans. Les plus anciennes éoliennes installées sont déjà en bout de course et doivent être remplacées.
La réglementation de plus en plus contraignante exige, lors d’un démantèlement, la remise en état des lieux d’implantation et le recyclage des matériaux au-delà de 90%.
Étant donné le développement attendu des parcs éoliens sur terre et en mer, le recyclage des éoliennes en fin de vie doit largement se développer, entre autres pour économiser les matières premières nécessaires.
Le prix de revient d’une éolienne industrielle de 5 MW est estimé à 5 millions d’euros, soit 1 million par MW. Ce coût élevé justifie la récupération et le recyclage des constituants.
Récupération du béton ou de l’acier
Elle est déjà opérationnelle, car le béton et l’acier sont présents en grande quantité dans maintes autres productions.
Les parties métalliques comme le mât (s’il est en acier) et le rotor (axe solidaire des pales) se recyclent sans problème dans les filières existantes. La valeur marchande de ces métaux justifie le démontage d’une éolienne.
Le béton, composé de ciment, d'eau, de sable et de gravillons, peut parfaitement être concassé ou broyé et réutilisé pour former de nouvelles briques, éléments de construction ou revêtements de route.
Pour les métaux tels que le cuivre, leur récupération et recyclage sont largement répandus.
Les problèmes se posent avant tout pour les pales et certains aimants et la recherche se concentre sur leurs recyclages.
Les aimants permanents
Actuellement, la technologie avec aimants permanents contenant des terres rares reste modeste en France(vii). Mais les quantités à recycler bien que minimes sont précieuses.
Ces terres rares proviennent majoritairement de Chine et leur coût est croissant. Toutefois l’exploitation de nouvelles sources se développe ailleurs, pour s’affranchir de cette dépendance(viii). Par ailleurs, leur extraction est très polluante et elles ont des propriétés physico-chimiques très voisines, rendant leur séparation difficile (dissolution sélective dans des solvants organiques).
Les aimants permanents sont actuellement traités par un procédé de décrépitation à l’hydrogène(ix) qui fournit une poudre qui présente une faible teneur en oxygène, réutilisable pour obtenir des aimants par frittage.
Un nouveau procédé chimique propose une alternative en remplaçant l’hydrogène par l’eau. Les aimants sont mis en contact avec de l’eau sous des pressions et températures modérées, ce qui conduit à la pulvérisation de l’aimant et permet une réutilisation des grains magnétiques.
Enfin, les grandes entreprises de l’éolien cherchent à développer des aimants de nouvelle génération pour s’affranchir de l’usage des terres rares.
Les pales
Le démontage et le transport des pales sont complexes. Comme le broyage et l’enfouissement ne sont plus autorisés, leur recyclage se limite pour l’instant au réemploi, par découpage ou usinage, des résines très solides qui les composent, ce qui fournit mobilier urbain, bouches à incendie, abris de vélos ou de bus, jeux de plein air, etc.
Cependant la recherche en matériaux développe une pale d’éolienne 100% recyclable, en composite fibres de carbone ou de verre piégées dans une résine thermoplastique(x). La méthode chimique de recyclage utilisée consiste alors dans un 1er temps à séparer la fibre de verre de la résine par fusion de celle-ci, puis à la dépolymériser complétement afin de récupérer les monomères purs qui permettront une nouvelle synthèse du polymère. Les tests grandeur nature sont en cours, en particulier sur les propriétés mécaniques de ce nouveau composite(xi). Dans le cas des fibres de carbone coûteuses et de plus en plus utilisées, des technologies sont mises en œuvre pour les récupérer(xii).
Conclusion
Le rendement d’une éolienne varie de 30 à 50% voire 65% de sa puissance théorique (en fonction de son implantation, de la taille des pales, de la force et des fluctuations du vent) ; l’éolienne fonctionne pour des vitesses du vent comprises entre 11 et 90 km/h.
L’énergie éolienne est la troisième source d'électricité décarbonée en France, (derrière les énergies nucléaire et hydraulique)(xiii). Elle est appelée à jouer un rôle majeur dans la transition vers des énergies décarbonées. Toutefois, l’obtention de l’acier et du béton nécessaires à sa construction et le démantèlement sont sources d’émission de dioxyde de carbone : en moyenne 14 g de CO2 par kWh pour l’éolien comparés à 4 g pour l’hydraulique, 16 g pour le nucléaire, 48 g pour le photovoltaïque, 469 g pour le gaz naturel et jusqu’à 1000 g pour le charbon(xiv).
On comprend donc la nécessité de bien choisir les matériaux et matières premières nécessaires à la construction des éoliennes et à leur fonctionnement optimal tout en ayant prévu dès leur conception le procédé de recyclage en fin de vie.
Andrée Harari et Françoise Brénon
(i) Il y a plusieurs types d’éoliennes : celles à entrainement direct dites synchrones, avec un rotor constitué d’aimants permanents et les asynchrones avec un rotor bobiné en cuivre, sans aimant, utilisées pour les éoliennes terrestres où l'entretien et révision sont plus faciles qu'en mer. Pour en savoir plus sur le fonctionnement d’une éolienne sans aimant, on consultera la ressource très pédagogique du blog de Timo van Neerden.
(ii) Un polymère thermodurcissable a une structure moléculaire tridimensionnelle, demeure à l’état solide une fois durci et sa forme ne peut alors plus être modifiée. Il ne peut pas être refondu.
(iii) On appelle résine le mélange liquide contenant des additifs et le ou les monomères réactifs initialement dilués.
(iv) Les composés de type époxy sont à base de Bisphénol A et les polyesters sont de type orthophtalique.
(v) On peut citer par exemple la résine Elium® de Arkema, à base de polyacrylate. Voir la fiche de préparation au Grand oral – Mediachimie/ Nathan « Quel rôle joue la chimie pour les matériaux stratégiques ? »
(vi) Selon un avis technique de l’Ademe datant d’octobre 2020, 6,2% des éoliennes terrestres françaises recouraient à cette technologie, soit 372 tonnes d’aimants permanents contenant 122 tonnes de néodyme et 17 tonnes de dysprosium. Les éoliennes asynchrones avec boites de vitesse n’utilisent pas d’aimant mais nécessitent plus d’entretien.
(vii) Terres rares, énergies renouvelables et stockage d'énergies Librairie Ademe
(viii) Ressources déjà connues au Brésil, au Viet Nam, en Russie, en Inde, en Australie… Nouveau gisement découvert en Laponie.
(ix) Décrépitation : l’aimant est placé sous hydrogène, qui diffuse et forme des poches qui font exploser la structure. La poudre obtenue est ultérieurement broyée et réutilisable pour obtenir des aimants par frittage.
(x) Un polymère thermoplastique est rigide à l’état solide mais se ramollit à la chaleur et peut être durci à nouveau.
(xi) Projet ZEBRA piloté par l’IRT Jules Verne et un consortium d’acteurs majeurs de l’industrie, dont Arkema, Corning…
(xii) Que faire des pales d’éoliennes ?, J.-C. Bernier, éditorial (Mediachimie.org)
(xiii) Pour avoir une idée des productions d’énergie par l’éolien, dont les valeurs évoluent régulièrement, on pourra consulter les sites suivants : pour 2019 EDF l’éolien en chiffres 34,1 TWh représentant 6,3% de la production d’électricité et pour 2022 Ministère de la transition écologique avec 25,0 TWh au cours des trois premiers trimestres 2022, soit 7,4% de la consommation électrique française. Et le Vrai / faux sur l’éolien terrestre
(xiv) Rapport ADEME 2015- page 7- Impacts environnementaux de l'éolien français
Pour aller plus loin
Que faire des pales d’éoliennes ?, J.-C. Bernier, éditorial (Mediachimie.org)
De la force musculaire aux énergies renouvelables, in La chimie, l’énergie et le climat, collection Chimie et junior (EDP Sciences, 2017) p. 29 à 31
Les enjeux matériaux pour la fabrication et le recyclage des éoliennes, Frédéric Petit (Siemens), résumé et conférence Colloque Chimie et matériaux stratégiques (9/11/2022)
Chimie métallurgique pour résoudre les problèmes des métaux rares, J.-C. Bernier, résumé et conférence Colloque Chimie et matériaux stratégiques (9/11/2022)
Crédit illustration : EdWhiteImages/Pixabay
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Les progrès de l’optoélectronique : des LED aux OLED
Rubrique(s) : Zoom sur...
L’éclairage participe à près de 20 % de la consommation mondiale d’électricité. L’ADEME prévoit une baisse d’environ 50 % de la consommation liée à l’éclairage vers 2030. Par ailleurs, l’arrêt des ventes des lampes à incandescence d’une part, des lampes et tubes fluorescents et lampes halogènes d’autre part est fixé pour 2023. La période des fêtes de Noël voit chaque année les rues et places de nos villes et villages s’illuminer. L’éclairage est assuré par des diodes électroluminescentes pour diminuer les dépenses dues à la consommation électrique associée.
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Crédit illustration : MolnarSzabolcsErdely - Pixabay
L’éclairage participe à près de 20 % de la consommation mondiale d’électricité. L’ADEME prévoit une baisse d’environ 50 % de la consommation liée à l’éclairage vers 2030 [1].
Par ailleurs, l’arrêt des ventes des lampes à incandescence d’une part, des lampes et tubes fluorescents et lampes halogènes d’autre part est fixé pour 2023. La période des fêtes de Noël voit chaque année les rues et places de nos villes et villages s’illuminer. L’éclairage est assuré par des diodes électroluminescentes pour diminuer les dépenses dues à la consommation électrique associée.
Une diode électroluminescente (DEL en français ou LED pour Light-Emitting Diode) est un dispositif électronique et optique produisant, sous l’action d’un champ électrique, de la lumière, sans créer de la chaleur contrairement aux lampes à incandescence. Pour qu’il y ait émission de lumière, l’utilisation de semiconducteurs est nécessaire. L’objectif est d’améliorer la conversion de l’énergie électrique en énergie lumineuse. La couleur dépend de la nature chimique du semiconducteur [2a] [2b].
Les premiers résultats de production de lumière rouge ont été obtenus dès 1962 par la General Electric. Les LED ont été utilisées sur des appareils électriques pour indiquer s’ils étaient allumés ou éteints. Mais les puissances étaient très faibles [3].
Ce n’est que dans les années 90 que l’utilisation du nitrure de Gallium (alliage GaN) comme semiconducteur a permis d’obtenir des LED avec en particulier une émission de lumière bleue difficile à obtenir mais essentielle par le mélange des couleurs pour créer la lumière blanche. Cette découverte a permis aux trois chercheurs japonais Isamu Akasaki, Hiroshi Amano et Shi Nakurama de recevoir le Prix Nobel de Physique en 2014 [3]. Les LED éclairent avec une puissance de 1 watt maximum pour un éclairage de 130 lumens bien supérieur aux tubes fluorescents (100 lumens par watt) [4].
Depuis, l’optoélectronique s’est tournée vers les diodes organiques électroluminescentes (OLED en anglais pour Organic Light Emitting Diode). Les OLED utilisent des semiconducteurs organiques. Elles possèdent de nombreux avantages : leur consommation est plus faible que celle des LED classiques et peuvent être fabriquées sur des supports souples permettant notamment leur enroulage (utilisés pour éclairer des décors ou des chantiers de construction par exemple). Elles sont utilisées principalement pour l’affichage électronique : smartphones, tablettes, téléviseurs [5].
Elles sont constituées d’une superposition de couches de matériaux organiques semiconducteurs constitués de polymères insaturés conjugués (c’est-à-dire avec alternance de liaisons simples et doubles dans leurs structures moléculaires) dans laquelle se trouve la couche émissive de lumière (EML pour Emissive Layer). Ces couches sont déposées entre deux électrodes : la cathode est souvent en aluminium et l’anode en oxyde d’indium et d’étain (ITO pour indium tin oxide) qui est déposée sur une couche transparente de verre par exemple. Les charges positives à la cathode et négatives à l’anode se déplacent sous l’action du champ électrique appliqué et se recombinent avec émission de lumière par fluorescence ou depuis 1998 par phosphorescence [6-8].
Si le système multicouche donne de bons rendements le dispositif reste complexe et les fabrications des OLED sont énergivores. Aussi de nombreux travaux de recherche ont été effectués pour obtenir des systèmes monocouches (SL pour Single Layer en anglais) conduisant à des SL-OLED. Récemment des travaux publiés en septembre 2022 par une équipe de recherche du CNRS menée par Cyril Poriel (Directeur de Recherche CNRS) basée à l’Institut des Sciences Chimiques de Rennes ont permis d’obtenir une SL-PhOLED (Ph pour phosphorescence) très efficace (la plus efficace à ce jour !). La couche émissive est ici constituée d’une matrice hôte et d’un émetteur phosphorescent. La matrice joue un rôle primordial et permet de maximiser l’efficacité de l’émission de lumière. Elle est constituée d’une partie riche en électrons et d’une seconde pauvre en électrons reliées entre elles par une structure non plane de type spirannique (les spirannes sont en effet des molécules bien connues au sein du laboratoire rennais !) qui permet une séparation spatiale des charges pour réunir les propriétés souhaitée (figure 1).
Figure 1. SL-PhOLED verte utilisant la couche émissive la plus performante de la littérature (2022, EQE > 22 %)
Source : photo reproduite avec autorisation de Lucas. F., Brouillac. C., Fall. S., Zimmerman. N., Tondelier. D., Geffroy. B., Leclerc. N., Heiser T., Lebreton. C., Jacques. E., Quinton. C., Rault-Berthelot. J., Poriel C., Chem. Mater. 2022, 34, 8345 copyright 2022 American Chemical Society.
Pour augmenter l’efficacité de l’émission de lumière un émetteur phosphorescent est nécessaire, par exemple un complexe d’iridium pour une émission de lumière verte (voir note) avec une efficacité supérieure à celles obtenues antérieurement [9]. L’objectif ultime est de développer des SL-PhOLED à émission de lumière blanche pour l’éclairage !
La simplification électronique obtenue avec les SL-PhOLED permet un développement prometteur de cette technologie qui s’accompagne aussi d’une production moindre de déchets !
L’auteur remercie très sincèrement Cyril Poriel, pour son aide bienveillante à la rédaction de cette note bibliographique et son autorisation de publier la photo de la diode verte et des structures de la couche émissive (voir la note).
Jean-Pierre Foulon
Mars 2023
Références bibliographiques :
[1] Rapport ADEME 2016
[2a] EnLEDissez-vous !, J.C. Bernier, L’Actualité Chimique N°395 (avril 2015) pp. 9-10
[2b] La lumière électronique : du tube cathodique aux écrans plats, J.C. Bernier, Colloque Chimie et Lumière du 26 février 2020, vidéo et article (Mediachimie.org)
[3] De la lampe à huile aux LED : histoire physico-chimique de l’éclairage artificiel, L. Simonot, Colloque Chimie et Lumière du 26 février 2020, vidéo et article (Mediachimie.org)
[4] Un prix Nobel éclairé, J.C. Bernier, éditorial Mediachimie (octobre 2014)
[5] Chimie, lumière sur les écrans, J. Lefebvre, A. Harari et J.-C. Bernier, fiche Chimie et… en fiches (Mediachimie.org)
[6] Les diodes électroluminescentes organiques : des sources plates de lumière, L. Hirsch, Colloque Chimie et technologies de l’information du 6 novembre 2013, vidéo et article (Mediachimie.org)
[7] Les multiples contributions de la chimie dans la conception des tablettes et des smartphones, J.-C. Flores, Colloque Chimie et technologies de l’information du 6 novembre 2013, vidéo et article (Mediachimie.org)
[8] Un point sur Les nouvelles générations d’OLED phosphorescentes, C. Poriel, L’Actualité Chimique N°454 (septembre 2020) p. 75
[9] Un point Les OLED à couche unique : vers des dispositifs électroniques simplifiés pour la transition écologique, C. Poriel, L’Actualité Chimique N°481 (février 2023) p. 55
Crédits : La SL-PhOLED verte : photo reproduite avec autorisation de Lucas. F., Brouillac. C., Fall. S., Zimmerman. N., Tondelier. D., Geffroy. B., Leclerc. N., Heiser T., Lebreton. C., Jacques. E., Quinton. C., Rault-Berthelot. J., Poriel C., Chem. Mater. 2022, 34, 8345 copyright 2022 American Chemical Society.
Cérémonie de remise des prix La main à la pâte de l’Académie des sciences
Rubrique(s) : Événements
Les prix La main à la pâte ont été remis le 4 avril 2023, lors d’une cérémonie à l’Institut de France. Onze projets scientifiques menés en classe, privilégiant l’investigation et l’expérimentation, et trois mémoires de futurs professeurs ont été mis à l’honneur.
Retrouver l’ensemble des lauréats ici :
https://fondation-lamap.org/actualites/decouvrez-les-laureats-des-prix-la-main-a-la-pate
Depuis plus de quatre ans, la Fondation de la maison de la chimie et LAMAP sont engagées dans un partenariat autour de la chimie. L’objectif majeur est d’impulser une dynamique ambitieuse visant à développer et diffuser un enseignement de la chimie à l’école et au collège. De nombreuses ressources sont créées et proposées gratuitement.
Dans le cadre de ce partenariat, la Fondation de la maison de la chimie soutient également un Prix spécial dédié à un projet dans le domaine de la chimie (doté d’un montant de 600€).
Cette année le prix a été attribué au Collège Michel Bégon à Blois (Loir et Cher ) - Classe 6ème pour le projet sur « La couleur des aliments »
La couleur des aliments
L’objectif de ce projet réalisé en cours de physique-chimie et sciences de la vie et de la terre : amener les élèves de 6ème à extraire la couleur orangée des carottes du jardin ainsi que d’autres légumes colorés comme le chou, la betterave, l’épinard. Une fois familiarisés avec les instruments du laboratoire, les élèves ont analysé l’évolution de la température et de la couleur des molécules extraites sur une période donnée. Cette expérience a permis aux professeurs d’introduire la notion de miscibilité et d’acidité, puis de donner un nom aux différentes molécules colorées. Le professeur d’arts plastiques, entouré d’un directeur de recherche de l’ENSCP et d’un maître de conférences de l’université d’Orléans, a pris part au projet en lançant deux défis aux élèves : la réalisation d’un arc-en-ciel de tubes à essai et des tableaux colorés sur papier. La démarche collective et l’implication des élèves sur ce projet d’initiation à la chimie des couleurs et aux techniques de laboratoire sont autant d’éléments qui ont incité le jury à leur attribuer le Prix spécial Chimie du concours (projet conduit par Mme Alexandra Gondonneau et Marie Pouzet).
En savoir plus sur ce projet : https://fondation-lamap.org/dossier-prime-prix-lamap/la-couleur-des-aliments
Crédit photo : site LAMAP