Manger ou conduire faudra-t-il choisir?

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1 LES BICARBURANTS 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. PRCESSUS DE FABRICATIN DES BICARBURANTS 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 ( kilomètres carrés), un peu plus de 28 millions d hectares sont aujourd hui occupés par des activités agricoles. D après Ministère de l agriculture : 1

2 LES BICARBURANTS DESTINÉS AUX MTEURS 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 BICARBURANTS, UN DÉVELPPEMENT DANS LE MNDE 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

3 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 consommation annuelle de carburant (2014) Gazole 81% Super 19% 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 m 3. 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 BICARBURANTS, UNE CNTRIBUTIN À LA LUTTE CNTRE 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 (C 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 2 ) et de gaz fluorés. Cependant, la concentration excessive de ces gaz et en particulier du C 2 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 C 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

4 CMPARAISN 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 Gazole Esters de colza (EMC) Indice cétane 49 à 51,5 50 à 52,5 Remarques Les pouvoirs d auto-inflammation sont similaires (7% d écart relatif) PCI massique à 20 C en kj.kg Les PCI de l ester sont plus faibles Masse volumique (kg/m 3, à 15 C) 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 et en particulier le rapport : Les biocarburants, une chance pour notre pays TP olympiades de la chimie 2007 : Académie de Besançon et Strasbourg 4

5 Informations importantes 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. n 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 cahier 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 milieu réactionnel de déterminer l impact sur les surfaces agricoles françaises 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 Nom Masse molaire (g.mol -1 ) Masse volumique à 25 C (g.cm -3 ) Température d ébullition sous pression normale ( C) Solubilité dans l eau Ethanol 46 0,79 79 Très soluble Glycérol 92 1, ui EEC 310 0,89 > 200 Non Huile de colza 884 0,92 > 200 Non Indice de réfraction de l éthanol : n(éthanol) = 1,36 5

6 éthanol acide acétique glacial hydroxyde de sodium en pastilles Pictogrammes de sécurité Mentions de danger H225 H302 H226 H314 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 18 H 34 2 (ou CH 3 (CH2) 7 CH=CH(CH 2 ) 7 CH). Son nom IUPAC est Acide cis-9- octadécamonoénoïque. Sa formule topologique est : R Acide alphalinolénique (polyinsaturé) 9% Acide linoléique (polyinsaturé) 19% Autres 9% Acide oléique (monoinsaturé) 63% Composition de l huile de colza : pour simplifier, on indique ici les acides carboxyliques à l origine des différents triesters R L huile de colza a donc pour formule approchée : Document 3 : la transestérification H 2 C HC H 2 C C R C R C Définition : Il s'agit de la réaction d'un ester sur un alcool pour donner un autre ester: R C + R 2 H R C + R 1 H R R 1 2 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 -H qui sert souvent de solvant. Le chauffage du milieu réactionnel augmente 6

7 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 chimiques 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 à extraire est solide l'espèce chimique est liquide et présente dans une des phases liquide Filtration sous vide Extraction par solvant 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 n o 1 : Synthèse de l EEC 1) n 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

8 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 n o 2 : Extraction et purification partielle de l ester Le but de cette étape est de séparer l ester du reste du milieu réactionnel. Données liées à la miscibilité EEC Glycérol Ethanol Miscible Miscible Eau salée Non saturée miscible Miscible EEC 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. transestérification?. Est-ce normal que cette espèce chimique soit encore présente suite à la Étape n o 2 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 n 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. n 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