Science pour l’avenir…

Premiers jours de Janvier… Nouvelle année, de nouvelles résolutions sûrement pour beaucoup d’entre nous et peut-être aussi des projets plein la tête ! Alors laissez-moi vous souhaiter le meilleur pour 2018.

En ce qui me concerne, je profite de l’occasion pour essayer de réfléchir sur l’avenir, pour des choix de vie plus respectueux de tous et de notre environnement. Dans cette optique, je reviens rapidement sur quelques rendez-vous de décembre 2017 qui m’ont enrichie et qui valent d’être partagés. Tournés vers l’avenir, ces événements made in « Hauts de France » donnent des idées, des espoirs et stimulent projets, études, entrepreneuriat, créativité.

Voici de quoi il est question.

C’est parti pour un petit focus sur des sujets propres à préparer l’avenir avec le « biomimétisme », la méthanisation avec l’événement « métha’morphose » et les effets sanitaires de « l’air que nous respirons ».

L’une des grandes interrogations de notre futur, concerne l’énergie. Comment allons-nous assurer la poursuite du développement des sociétés, les besoins liés à une population croissante tout en limitant nos impacts sur l’environnement ? L’une des solutions « renouvelable » est liée à la méthanisation qui concerne de nombreux acteurs. Le 12 décembre dernier, une journée régionale dédiée à la méthanisation à Saint-Laurent Blangy (dans la Communauté Urbaine d’Arras) était organisée à l’initiative de la CCI des Hauts de France, GRDF, la Chambre régionale d’Agriculture. Ce fut l’occasion d’acquérir des connaissances sur les différentes filières de production et de valorisation et de prendre conscience du potentiel de ce procédé.
Booster le développement des projets de méthanisation et favoriser les collaborations s’inscrit dans la dynamique Rev 3 (3e révolution industrielle en Hauts de France dont je vous avais déjà parlé ICI

Cette journée permettait la rencontre des acteurs de domaines très divers : agriculteurs, entrepreneurs, experts, industriels, étudiants.
Mais avant tout, qu’est-ce que la méthanisation exactement ? Quel procédé met-on en oeuvre ? Quelles en sont les applications potentielles ?

La méthanisation est le processus de dégradation de la matière organique (présente dans la biomasse et à fortiori dans différents types de « déchets ») par des micro-organismes en absence d’oxygène. Il s’agit ni plus ni moins d’une « digestion » où plusieurs types de réactions sont en jeu (hydrolyse, acidogenèse, acétogenèse, méthanogenèse) : les longues chaînes polymères de la matière organique sont peu à peu découpées et apparaissent le méthane et le dioxyde de carbone comme produits de la réaction.
Tout ceci se fait naturellement dans les rizières, les marais ou la panse des vaches, et c’est plutôt mauvais pour la planète dans la mesure où le méthane est un puissant GES.
Alors lorsqu’au contraire, on cherche à forcer les choses, à accélérer les réactions et à canaliser les émissions de méthane pour ensuite l’utiliser, le valoriser d’un point de vue énergétique, on gagne sur tous les fronts : on diminue la quantité de déchets et leur charge polluante et on produit une source d’énergie valorisable par différentes voies. C’est la raison d’être des unités de méthanisation (appelées « méthaniseurs » ou « digesteurs » ou encore « réacteurs à biogaz ») : de grands réservoirs hermétiques dans lesquels séjournent des déchets ou boues et les bactéries. Le biogaz formé s’accumule en surface tandis que la fraction solide restant après digestion (le digestat) est récolté en partie basse (il est utilisé pour l’épandage).

Il peut s’agir d’unités de petits tailles au sein d’une exploitation agricole. Des agriculteurs peuvent ainsi valoriser des effluents d’élevage ou certaines cultures dédiées (les CIVE* – cultures intermédiaires à vocation énergétique). C’est la méthanisation agricole.

* Les CIVE sont généralement des cultures à croissance rapide (ex : avoine, sorgho, vesces).

Maquette GRDF expliquant la méthanisation de produits agricoles

A plus grande échelle, il s’agit de méthanisation territoriale et industrielle permettant alors de traiter et valoriser des déchets ménagers, de l’industrie agro-alimentaire, des boues de papeterie, des  boues chimiques ou de station d’épuration d’eaux usées.

Le biogaz qui est produit (composé principalement de méthane)  peut suivre différentes voies de valorisation : produire de l’électricité seule (turbine à gaz) ou chaleur+électricité (par cogénération), être injecté dans le réseau ou utilisé dans le transport (voie du GNV).

Bref, cette journée nourrie de retours d’expériences, de conseils d’experts pour la mise en place d’un projet avec les différents challenges à relever, les démarches à effectuer, les perspectives de développements, l’organisation en économie circulaire était passionnante.
Un espace dédié « Village de la méthanisation » accueillait le visiteur et présentait des stands didactiques, des innovations, des acteurs du domaine et leurs offres de service.

Maquette du paysage énergétique d’une ville du futur (GRTgaz). La part d’énergie renouvelable (éolien/solaire/biogaz) dans la consommation est élevée (Objectif 23 % d’ici 2020). La technologie Power to gas permet de gérer l’électricité excédentaire en générant de l’hydrogène par électrolyse (utilis pour le réseau de transport ou pour une méthanisation)

Nous passons maintenant à un tout autre sujet mais qui trouve également bon nombre d’applications potentielles dans le domaine de l’énergie, d’économie de matière et d’efficacité : comment s’inspirer de la Nature pour créer de nouveaux matériaux et mettre au point de nouvelles technologies. Le 14 décembre dernier, c’était donc une soirée spéciale Biomimétisme en Hauts de France organisée par Ceebios qui s’est tenue à Lilliad Learning Center.
Comme nous l’a présenté Kalina Raskin directrice générale de Ceebios (Centre Européen d’Excellence en Biomimétisme de Senlis), créé en 2014, il s’agit d’un réseau (un « hub ») dédié au biomimétisme qui accompagne des projets innovants, développe un réseau de compétences, contribue au partage des connaissances et à la formation, crée des plate-formes de démonstrations, porte des travaux de recherche.

Jacques Livage, professeur au collège de France est à l’origine du développement de la « chimie douce » dans le domaine des matériaux. Il présente lors de cette soirée, comment l’Homme a progressivement maîtrisé les matériaux présents dans la Nature en mettant au point des procédés toujours plus gourmands en énergie (besoin de températures élevées). L’homme fait ainsi, mais le reste du monde vivant fait mieux : depuis leur apparition sur Terre, ces organismes ont remarquablement su innover pour tirer parti de leur environnement proche, dans des conditions ambiantes. Il faut donc nous en inspirer d’une part dans les formes créées et d’autre part, dans les processus chimiques utilisés.

En ce qui concerne la forme, citons l’exemple de la patte de gecko. Ce petit lézard parvient très aisément à déjouer la gravité… Son secret réside dans la structure nanométrique multi-échelle qui caractérise ses pattes. Une infinité de poils (les soies) de différentes tailles imbriquées comme des fractales compose les doigts de la bestiole et permet un contact très précis entre chaque soie (de la plus petite échelle) et la surface d’appui. A ce niveau, les forces de Van der Waals entrent en action et permettent l’adhésion. Des applications incroyables pourraient se baser sur ce modèle notamment pour l’élaboration des colles dans le domaine de la chirurgie.

Structure multi-échelle des doigts du gecko et soies à l’échelle nanométrique

Cette conférence, c’était aussi l’occasion d’admirer ou ré-admirer les magnifiques réalisations de certaines diatomées (microalgues  unicellulaires) qui fabriquent une carapace en verre de silice (appelée frustule), tout cela à basse température, celle de l’océan (donc très loin des 1700°C nécessaires pour nous).

Les diatomées (microalgues) fabriquent une carapace de silice pour se protéger

Alors ce processus chimique, ne pourrait-on pas le mettre en oeuvre ? C’est le principe du procédé sol-gel (pour « solution- gélification ») dont les premieres pierres ont été posées dans les années 30. Il est question d’élaborer des matériaux vitreux à partir d’une solution liquide contenant « les bons ingrédients » par polymérisation et ce, à température modérée. C’est en fait tout une succession d’étapes d’hydrolyse et de condensation qui sont favorisées et qui conduisent à pouvoir contrôler le produit final à l’échelle nanométrique.
Sur cette base, la technique présente de nombreux avantages. Avant tout, c’est la possibilité de travailler à basse température. Mais les applications sont tout simplement incroyables : toute une gamme de matériaux à base de nanocomposites (chimie miné/orga) peuvent voir le jour. Egalement un élément central pour le développement des nano-médecines (les nanoparticules peuvent traverser des membranes et mieux cibler des cellules tumorales par exemple), ou de biocapteurs/bioréacteurs (primordial pour la lutte contre la pollution des eaux) ou de cristaux photoniques (pour contrôler et manipuler la matière et des applications pour les futurs panneaux photovoltaïques)…

C’est bel et bien la possibilité la façonner la matière à l’échelle nanométrique qui permet d’innover dans les procédés et de tendre vers une économie de matière et un gain substantiel en énergie consommée.

Mais pendant que la recherche et développement s’active sur les nanostructures, d’autres s’interrogent sur la notion de sécurité liée à l’échelle nanométrique. Des nanomatériaux manufacturés entrent dans la composition de nombreux produits courants, d’autres sont émis de façon non intentionnelle par certains processus industriels et la pollution de l’air par les particules très fines interroge quant aux effets sur l’environnement et la santé humaine.

Sur ce thème, la même semaine, j’ai assisté à la Conférence « 5 à 7 » organisée par l’Institut Pasteur de Lille dédiée au thème des « nanoparticules  » : un état de l’Art de l’état des connaissances sur les liens avec la pollution de l’air et la santé humaine. Voici quelques informations présentées.

Le Dr Nesslany Directeur du laboratoire de toxicologie génétique à l’Institut Pasteur de Lille, a démarré la conférence en rappelant la définition des nanoparticules. Le nanomètre (nm) correspond au milliardième de mètre mais on définit les nanoparticules comme les particules de diamètre inférieur à 100 nm. Présentes dans l’air, ces particules ultra fines sont à la fois d’origine naturelle (volcans, érosions, feux de forêts) ou anthropiques non intentionnelles (gaz d’échappement, poussières de centrales électriques, fumées industrielles ou de soudure) ou manufacturées (nanotubes de carbone- pour la nanofiltration, le stockage d’énergie, la biomédecine-, noir de carbone -encre, cosmétique-, dioxyde de titane -cosmétique, peintures, agroalimentaire-) .

Frise/Echelle présentant les nanoparticules

En ville, on dénombre entre 10.000 et 50.000 de ces fines particules /cm3.
Quelles conséquences sur la santé de la pollution de l’air par ces particules fines qui peuvent à priori traverser un certain nombre de barrières protectrices au sein des individus ?
Difficile de répondre de façon tranchée pour les nanoparticules dans la mesure où il en existe une grande diversité et les résultats sont assez variables selon la taille, la forme, la surface, la nature chimique des nano. Il en résulte que l’évaluation scientifique des risques est difficile avec un certain nombre de résultats d’études contradictoires. Néanmoins, d’après les recherches synthétisées par l’ANSES (lien en fin d’article), on peut dire que certains types de ces particules ultra-fines peuvent diminuer la fonction pulmonaire (surtout chez les personnes déjà atteintes de pathologie pulmonaire), produire un effet toxique, induire des retards de croissance, provoquer l’immunosuppression ou développer une hypersensibilité et des allergies.
Comment cela peut-il se produire ? L’impact dépend de la façon dont ces particules vont passer outre les différentes barrières prévues par notre organisme pour gérer un intrus : passage des barrières pulmonaires jusqu’aux alvéoles, rétention, translocation (capacité à passer dans le sang), élimination physique ou chimique.
Mais tout cela reste très difficile à appréhender, et impossible de faire un cas général.
Bref, les recherches en nanotoxicologie sont très actives et heureusement car les données manquent encore terriblement afin d’accumuler les connaissances scientifiques sur le sujet.

Voilà donc un mois de décembre bien rempli, tourné vers l’avenir, l’innovation, les projets, la recherche.

Pour en savoir plus :
http://agriculture.gouv.fr/volet-methanisation-questions-reponses

https://www.anses.fr/fr/system/files/CDLR-mg-Nanomateriaux6.pdf

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