L’éco-conception est une démarche permettant de concevoir une offre de produits plus respectueux de l’environnement. Selon l’AFNOR (Norme ISO14006 v. 2020) : c’est l’« approche méthodique qui prend en considération les aspects environnementaux du processus de conception et de développement dans le but de réduire les impacts environnementaux négatifs tout au long du cycle de vie d’un produit ».

Pratiquer une démarche d’éco-conception consiste à évaluer ce qui « rentre » et « sort » à chaque étape de la vie du produit en termes :

• de gaz à effet de serre (GES),
• de matières premières,
• de pollutions (eau, déchets, résidus),
• d’énergie,
• de coûts (main d’œuvre, maintenance).

Les étapes classiques de conception sont :

• l’extraction⁽ⁱ⁾ des matières premières (MP),
• la fabrication,
• le conditionnement et la distribution,
• l’usage, la fin de vie et le recyclage.

L’éco-conception fait partie du concept plus général d’économie circulaire⁽ⁱⁱ⁾. Celle-ci n’est pas normalisée et peut être définie selon l’ADEME⁽ⁱⁱⁱ⁾, comme « un système économique d’échange et de production qui, à tous les stades du cycle de vie des produits vise à augmenter l’efficacité de l’utilisation des ressources et à en diminuer les impacts » (cf. Fig.1).

Elle s’oppose à l’économie linéaire qui consiste à acheter, consommer et jeter.

 
Figure 1 : L’économie circulaire 

Chaque produit du système amène avec lui sa charge en pollution, dont la pollution dite à la frontière. Cette expression se rapporte au fait qu’il est difficile d’évaluer pour les produits la charge polluante qui a accompagné sa production ainsi que sa conformité aux exigences de développement durable (travail des enfants, des prisonniers, etc.).

Dans ce cadre, l’éco-conception doit aussi :

• respecter l’environnement et la santé,
• avoir peu d’impact sur le changement climatique durant la durée de vie du produit,
• assurer une rentabilité au producteur,
• donc répondre aux exigences du Développement Durable.

Prenons l’exemple d'une peinture

La figure 2 schématise les différentes étapes de fabrication d’une peinture.

 
Figure 2 : Les étapes de fabrication d’une peinture
source : Webinaire SECF^(iv) -AFTPVA^(v) sur l’écoconception des Peintures

Dans ce cas, les aspects particuliers suivants doivent être pris en considération :

• analyse des constituants : liant (résine), solvant, opacifiant, pigments^(vi), additifs^(vii) (mouillants anti-mousse, biocides, siccatifs,…),
• respect du cahier des charges fonctionnel et des réglementations en vigueur.

1. Étape d’extraction des matières premières

Idéalement, elles devraient être biosourcées, peu toxiques, biodégradables, à faibles charges de GES, commercialement équitables et économiquement viables. Elles résultent d’un choix raisonné.

Prenons l’exemple du dioxyde de titane^(viii) (TiO₂), un pigment blanc, très utilisé. Sa blancheur, son opacité (sans équivalent), sa résistance aux UV le rend difficilement remplaçable. Mais il est suspecté d’être cancérogène s’il est sous forme nanométrique^(ix). Sa production est par ailleurs très génératrice de GES, par rapport à un produit de substitution comme par exemple le carbonate de calcium (craie) dont les propriétés fonctionnelles, notamment sa blancheur, sont très inférieures.

2. Étape de fabrication

Les étapes de fabrication impliquent :

• la mise en œuvre d’équipements (par exemple cuve avec agitateur^(x)),
• la maîtrise de ce qui est introduit, consommé : MP, énergie utilisée, l’utilisation d’eaux et de solvants de nettoyage, mais aussi des emballages, etc.,
• la gestion de ce qui résulte de la fabrication : GES, résidus, emballages salis, poussières, eaux et solvants souillés, vapeurs de solvant rejetées dans l’atmosphère.

Il faut également tenir compte de la protection des opérateurs et techniciens : EPI (équipements de protection individuels) masques, gants, filtres, etc., qui à leur tour deviennent déchets^(xi).

3. Étape de conditionnement/distribution

Cette partie doit tenir compte de :

• la conception des pots de peintures (étiquetage, caractère recyclable),
• la production de GES dans les transports et la distribution.

4. Étape d’application par l’utilisateur

Quelques questions se posent.

• Comment tenir compte de la pollution de l’air par la peinture au pistolet vs au pinceau, au rouleau ? Doit-on revoir les conditions d’application ?
• Comment être efficace lors du raclage des fonds anciens sans produire trop de poussières et d’aérosols et dans le nettoyage des outils : pinceaux, brosses, rouleaux, pistolets, … ?
• Comment maîtriser l’exposition des travailleurs durant le lavage, grattage et l’application ?

5. Étape de fin de vie et de recyclage

Des réflexions doivent être menées sur la conception des pots en vue d’un meilleur recyclage.

La mise en place d’une politique d’éco-conception et d’économie circulaire doit reposer, sur une approche scientifique, sur des mesures et des comparaisons. Par exemple, peindre une même surface avec une peinture à l’eau est-elle moins polluante qu’une peinture avec solvant ? Le concept d’unité fonctionnelle (UF) permet de comparer (métrique) des produits entre eux. Pour les peintures l’UF est une surface de 1 m² et une durée de 10 ans. Une peinture à l’eau qui peut paraître plus écologiquement attractive peut s’avérer moins « durable » si elle doit être renouvelée plus souvent qu’une peinture solvantée. Une analyse s’impose avec des métriques appropriées.

Cette démarche est générale et déjà en route. Elle s’applique à tous les produits des industries de transformation de la matière, que ce soit la chimie, la pharmacie, la cosmétique, les Industries Agroalimentaires. Les industries manufacturières demandent un traitement adapté.
 

Jean-Pierre Dal Pont, Président de la SECF / Xavier Bataille, ENCPB, Paris

Illustration : pot de peinture. Licence Pixabay 

(i) Extraction signifie ici approvisionnement en MP

(ii) Les chimistes dans l'économie circulaire  de F. Brénon et G. Roussel , Mediachimie.org

(iii) ADEME : Agence De l'Environnement et de la Maîtrise de l'Énergie

(iv) SECF : Société des Experts Chimistes de France

(v) AFTPVA : Association Française des Techniciens des Peintures, Vernis, encres d'imprimerie, colles et Adhésifs

(vi) Zoom sur les pigments, de J.-P. Foulon, Mediachimie.org

(vii) Zoom sur la formulation et les matières premières : généralités, de V. Antzoulatos et F. Brénon, Mediachimie.org

(viii) Le dioxyde de titane sur le site de l’Élementarium

(ix) Les nano-objets : un avenir prometteur sous contrôle, de C. Agouridas, J.-Cl. 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
Caractérisation de nanoparticules inorganiques dans les produits du quotidien : les méthodes d’analyse et les applications, de F. Séby, F. Auger et M. Menta Colloque Chimie, nanomatériaux et nanotechnologies (novembre 2018) Fondation de la Maison de la chimie

(x) Vidéo sur L’agitation, une opération unitaire, de R. German, P. Richel, Y. Cochet, S. Rode, PROCEDEC (ENSIC) et Fondation de la maison de la chimie

(xi) Pour aller plus loin, consulter le Zoom sur le génie des procédés,de J.P Dal-Pont, Mediachimie.org
 

Comment éviter les pesticides sans livrer les cultures aux insectes et prédateurs ? Dans le sud-ouest, l’entreprise M2i, a trouvé la parade : des phéromones spécifiques et des procédés d’application particulièrement innovants.

Qui n’a jamais entendu parler du réchauffement climatique lié à l’émission du CO₂, le dioxyde de carbone ? Sans doute pas grand monde ! […] Le dioxyde de carbone, un des gaz à effet de serre, produit à un endroit n’y reste pas cantonné ! Il faut donc le piéger avant son rejet dans l’atmosphère terrestre, ainsi cela ne ferait pas augmenter sa concentration moyenne, actuellement de 400 p.p.m. (400 « parties par million » soit 0,04 %). Comment la chimie peut-elle contribuer à cet effort indispensable, voire vital ?

 

Problématique :

• Qu’entend-on par « gaz à effet de serre » ?
• Pourquoi le CO₂ est-il pourtant si important ?
• Que faire de l’excès de CO₂ ?

Des pistes sont également proposées pour un projet professionnel en lien avec la problématique.

Sur 7,8 milliards d’êtres humains en 2021, 10 % n’ont pas accès actuellement à l’électricité. Cela a un impact sur la santé et l’éducation de ces populations. Ces manques affectent la compétitivité économique des pays concernés et freinent leur développement. Comment la chimie peut-elle contribuer à résoudre ce problème ?

 

Problématique :

• Qu’entend-on par « sources d’énergie renouvelables » ?
• Quels sont les objectifs du Conseil Mondial de l’Énergie ?
• Comment peut-on y arriver à l’horizon 2050 ?
• Comment la chimie peut-elle contribuer
  à réduire la pauvreté énergétique ?

Des pistes sont également proposées pour un projet professionnel en lien avec la problématique.

Quel domaine récent de la science nous amènera les bienfaits suivants durant la première moitié du XXI^e siècle ?

• Une nouvelle génération de médicaments et vaccins permettra une médecine mieux ciblée et plus personnalisée et réactive.
• Des méthodes améliorées permettront de régénérer ou greffer nos organes malades ou blessés, sans problème de compatibilité.
• Une part de l’énergie qui nous chauffera et nous transportera viendra de biocarburants fabriqués à partir de résidus agricoles et ménagers.
• Les végétariens par choix philosophique auront la possibilité de consommer une viande de synthèse agréable de goût et de texture, évitant ainsi des régimes parfois insatisfaisants sur le plan diététique.

Réponse : la biologie de synthèse.

Depuis la découverte de l’effet photovoltaïque par Edmond Becquerel en 1839, l’efficacité des dispositifs de conversion de l’énergie lumineuse en énergie électrique a considérablement augmenté. Après une présentation de l’effet photovoltaïque, nous nous proposons ici de mettre en évidence l’importance des apports de la chimie dans le développement de l’énergie solaire. Nous verrons ensuite quels sont les usages actuels du photovoltaïque et, pour finir, quels seront sans doute ses usages futurs.

Parties des programmes associées :

• Programme de spécialité physique-chimie de première générale : Ondes et signaux. Partie 2B : Modèles ondulatoire et particulaire de la lumière (énergie d’un photon ; description qualitative de l’interaction lumière-matière)
• Programme de physique-chimie de première STL : Ondes électromagnétiques
• Programme de spécialité physique-chimie de terminale générale : Ondes et signaux. Partie 2B : Décrire la lumière par un flux de photons (effet photoélectrique ; absorption de photons ; rendement d’une cellule photovoltaïque)
• Programme de physique-chimie de terminale STL : Énergie et ondes
• Programme d’enseignement scientifique de terminale générale : Le futur des énergies (Partie 2). Partie 2.1 : Deux siècles d’énergie électrique (matériaux semi-conducteurs, en particulier le silicium). Partie 2.2 : Les atouts de l’électricité (conversion de l’énergie radiative)
• Programme de physique-chimie BTS photonique : Optique ondulatoire/Interaction photon-matière/Optique énergétique

En sélectionnant les espèces animales et végétales, l’Homme inventa l’agriculture pour se nourrir. Depuis, des progrès considérables ont été réalisés dans la compréhension du fonctionnement de la faune et de la flore. D’après un rapport récent publié par l’Organisation des Nations Unies pour l’alimentation et l’agriculture (F.A.O.), basée à Rome (Italie), il faudrait, pour nourrir une population mondiale estimée à 9,7 milliards d’êtres humains en 2050, produire entre 40 et 54 % de plus de nourriture, d’aliments pour animaux et de matières premières de biocarburants qu’en 2012. Pour y parvenir, l’Homme peut-il se passer de la chimie ?

 

Problématique :

• Comment la chimie a révolutionné l’agriculture ?
• Quels sont les objectifs de l’agriculture durable ?
• Quels sont les défis de la chimie pour l’agriculture ?

Des pistes sont également proposées pour un projet professionnel en lien avec la problématique.

Les agricultures française et européenne font face à de nombreux défis tant sociétaux que techniques. Face à ce constat les Académies d’agriculture de France et des technologies ont établi un groupe de travail commun fort de trente-deux membres de différentes disciplines pour analyser la situation, essentiellement sur les aspects techniques.

Dans une première étape le groupe a auditionné dix agriculteurs et agricultrices représentant des productions diverses sous différents modes de culture, conventionnels et biologiques. Les trois défis techniques principaux présentés, quel que soit le type d’agriculture, ont été le parasitisme, maladies et ravageurs avec un regard particulier sur le changement climatique et les maladies émergentes, la maitrise des plantes adventices et les effets de la sécheresse. Les années 2019 et 2020 confirment bien ce dernier problème de plus en plus préoccupant.

Ces défis ont été ensuite présentés à des chercheurs et des industriels du secteur agricole pour réfléchir aux solutions que pourraient apporter les développements récents des innovations. Plusieurs approches peuvent être envisagées telles que le choix de la rotation, l’amélioration variétale, les traitements phytopharmaceutiques qu’ils soient de synthèse ou biologiques, la robotique, l’agriculture de précision et l’irrigation. Elles ne s’excluent pas les unes des autres mais sont complémentaires. Des progrès sont en cours dans tous ces domaines mais ils sont incrémentaux. Il faut toutefois noter une révolution en cours : l’apparition des données massives et leur application à l’agriculture grâce au développement du numérique. Cette révolution a un effet d’accélération dans tous les domaines techniques de l’agriculture. En plus d’innovations techniques nous allons aussi vers une innovation organisationnelle.

Les pistes de progrès sont donc nombreuses. Pour qu’elles se développent il faudra faire les bons choix techniques, politiques et réglementaires en étant conscient du facteur temps. L’évolution d’un agrosystème, organisme vivant, ne peut se faire sans un temps minimum d’adaptation.

Les détails de ces travaux ont été publiés en mai 2019.

Les questions relatives à la santé et l’alimentation font naturellement partie des préoccupations principales de nos concitoyens. Si notre alimentation dépend directement de notre agriculture, la santé quant à elle, résulte de nombreux facteurs dont la qualité de notre alimentation et de notre environnement pour lesquels l’agriculture joue un rôle majeur.

Au cours des siècles, l’agriculture française est passée par diverses étapes mais pendant longtemps, la production agricole ne couvrait qu’insuffisamment les besoins alimentaires des français. Les famines succédaient régulièrement aux disettes avec le cortège d’horreurs qu’elles engendraient. Au XVIII^e siècle on compte 16 épisodes de famine qui ont conduit à la Révolution. Dès lors, la demande faite à l’agriculture fut simplement de nourrir la population. Les sciences ont été fortement sollicitées et l’amélioration progressive des productions a permis au milieu du XIX^e siècle d’atteindre la production moyenne de 2000 calories par habitant. Les rendements étaient encore faibles, mais les famines ont disparu des actualités métropolitaines. Cependant, la croissance exponentielle de la population mondiale et la mondialisation ont généré une nouvelle demande sociétale pour répondre à la demande alimentaire croissante des populations, faire de notre agriculture un secteur économique exportateur et améliorer la qualité et la diversité de notre alimentation.

Au sortir de la guerre, et tout au long de la seconde moitié du XX^e siècle, parmi les défis liés au changement global et aux enjeux géopolitiques mondiaux resurgit une question que l’on croyait révolue celle de la subsistance. Comment nourrir le monde dont la population a triplé en 70 ans et qui devrait atteindre 10 milliards d’habitants à la mi-temps de ce siècle ? Les grands pays agricoles se sont alors employés à satisfaire la demande mondiale en quantité d’abord mais aussi en qualité. Pour la France, il faudra attendre les années 70 pour devenir exportateur. Cette prouesse le doit pour beaucoup à l’amélioration génétique, au progrès de la mécanisation, de la fertilisation et de la protection des cultures, et dans toutes ces technologies la chimie, qu’elle soit organique, minérale ou biologique, est un levier majeur de progrès. Bien sûr le système agricole et alimentaire français reste perfectible, mais selon l'Index de durabilité des systèmes alimentaires et pour la troisième année consécutive, il est élu le plus durable au monde.

Ce progrès a été accompagné d’excès, d’erreurs et de nouveaux enjeux sont apparus : la gestion des ressources, la préservation de l’environnement, l’adaptation au réchauffement climatique, tout en augmentant la production alimentaire mondiale de 70 % selon les souhaits de la FAO et sans augmenter les surfaces agricoles. C’est un formidable défi pour lequel les sciences et les technologies doivent se mobiliser. Cet enjeu planétaire touche chacun d’entre nous et les orientations de notre agriculture font débat : agriculture industrielle, biologique, biodynamique, urbaine, agroécologie, abandon de l’élevage… Un contrat doit être passé entre la société devenue très urbaine et les agriculteurs afin que cesse cette défiance entre consommateurs et producteurs.

Il n’y a pas de recette miracle mais il faut d’urgence une réponse à la question : Quelle agriculture voulons-nous et quel rôle la chimie doit-elle jouer ?

Délaissant les ressources aléatoires de la cueillette et de la chasse pour mettre en oeuvre une production plus pérenne d’espèces végétales ou animales sélectionnées pour se nourrir, l’Homme inventa l’agriculture. Basée sur des observations judicieuses, celle-ci s’enrichit au fil du temps d’un savoir, au départ pragmatique, puis de plus en plus raisonné reposant sur la compréhension des phénomènes et du fonctionnement des milieux agricoles et des organismes vivants que sont les plantes cultivées et le bétail. Le développement d’une agriculture moins tâtonnante et plus productive repose dès le XIX^e siècle sur l’essor des connaissances en chimie, physique et biologie, au XX^e siècle en génétique, biochimie, biologie moléculaire avec la découverte de la structure chimique de l’ADN qui ouvrit la porte à la génomique, aux biotechnologies et au génie génétique, et au XXI^e siècle sur l’informatique.

La structure physico-chimique des organismes vivants, le fonctionnement intime des cellules et des organes, les métabolismes ont pu être appréhendés grâce à de nouveaux appareils de mesure, d’observation et d’analyse des constituants chimiques. Les réactions biochimiques en sont la clef. La chimie analytique qui se perfectionne avec des instruments de mesure de plus en plus précis et sophistiqués (spectromètre, chromatographe, etc.) contribue à mieux comprendre les phénomènes de transformation au sein des organismes vivants. Ainsi, on sait aujourd’hui que les engrais à base d’azote, de phosphore et de potassium sont indispensables au développement des plantules. La protection des cultures contre leurs bio-agresseurs que sont les micro-organismes pathogènes, les insectes ravageurs ou encore les adventices indésirables, nécessite de comprendre l’essence des interactions et les mécanismes des relations au sein des populations ou d’une espèce, et entre les espèces. La communication entre les organismes au sein des écosystèmes met en jeu des médiateurs chimiques qui sont étudiés par une nouvelle discipline, l’Ecologie chimique, qui vit le jour en 1970.

À la moitié du XX^e siècle, fort des succès remportés par le DDT (dichloro-diphényle-trichloro-éthane), un insecticide organochloré utilisé pendant la Seconde Guerre mondiale pour juguler des épidémies et maladies (typhus, malaria), le contrôle des insectes ravageurs et des maladies par les produits phytopharmaceutiques de synthèse a permis de sauver des récoltes, de libérer les écoliers des campagnes d’hannetonnage, d’assainir les milieux et d’améliorer les conditions de vie des agriculteurs. Mais ces succès se sont accompagnés dans certains cas d’effets environnementaux négatifs par manque de connaissances. Aujourd’hui une compréhension plus étayée des phénomènes développe de nouvelles façons d’interagir, les démarches agro-écologique, biotechnologique et numérique afin de limiter les nuisances de ces bioagresseurs tout en préservant au mieux les milieux physico-chimiques dans lesquels nous vivons.

De ce survol historique, une évidence s’impose : la chimie est bien la discipline-clef pour appréhender l’évolution de l’agriculture et un des outils nécessaires à sa durabilité.