TECHNOLOGIES CLÉS 2010 (novembre 2006)

Matériaux – chimie

20. Procédés catalytiques

Description

La catalyse améliore la vitesse et la sélectivité des réactions chimiques, ou permet la réalisation de réactions dans des conditions optimisées (température, pression, ...). On considère ici l'ensemble des technologies de la catalyse : fabrication des catalyseurs, mise en œuvre des procédés catalytiques, régénération ou élimination ... Les technologies de catalyse sont nombreuses : catalyse homogène, catalyse hétérogène, catalyse enzymatique (biocatalyse), photocatalyse, électrocatalyse ...

L'intérêt de la découverte de nouveaux catalyseurs reste important pour de nombreuses applications : polymérisations, réactions stéréospécifiques, reconversion de « grosses » molécules en matières de base (exemple du recyclage chimique des plastiques), traitement des gaz ... En chimie, la mise au point de nouveaux catalyseurs permet l'accès à de nouvelles matières premières :

• les matières premières renouvelables, par le développement de la biocatalyse ;
• les dérivés du gaz naturel et les alcanes ; on peut ainsi envisager la valorisation matière de composés tels que le propane ou le butane, mais surtout le développement de la chimie du méthane.

Une des applications les plus importantes des catalyseurs est la dépollution des effluents gazeux, notamment pour les émissions des véhicules. Dans ce domaine, la mise au point de nouveaux catalyseurs est importante, et les travaux concernent non seulement les espèces actives (métaux, composés organométalliques ...), mais également les supports de catalyseurs (mésoporeux, nanoporeux ...).

L'amélioration des procédés catalytiques apparaît également comme un enjeu important. Les évolutions attendues concernent, notamment, le couplage des réactions catalytiques avec d'autres réactions ou avec des étapes de séparation. L'optimisation des conditions de réactions catalytiques est également cruciale dans le domaine de la dépollution (pots catalytiques, ...). Les évolutions concernent à la fois la conception des réacteurs et la réalisation des unités industrielles.

Ces développements doivent, en particulier, se faire dans le contexte de l'intensification des procédés de production. La régénération des catalyseurs permet de valoriser et d'économiser des matériaux dont les prix peuvent être élevés et les ressources limitées (métaux précieux notamment).

Enfin, la fabrication de produits finis comportant des catalyseurs est également un des axes de développement de ces technologies (verres et bétons autonettoyants, par exemple).

Globalement matures, les technologies et les applications de la catalyse ont cependant atteint des degrés de développement divers : exploitée depuis plusieurs décennies dans l'industrie du raffinage, la catalyse est en émergence dans le domaine de la production d'hydrogène et de la production de carburants issus de la biomasse.

Enjeux, Impact

L'utilisation des catalyseurs pour remplacer les procédés stœchiométriques (pour lesquels tous les constituants, réactifs ou non, sont introduits en quantités comparables) est un des douze principes qui ont conduit à la définition de la chimie durable. Une des conséquences directes de l'utilisation des catalyseurs est la diminution des déchets produits par l'industrie chimique. Sur le plan environnemental, les procédés catalytiques permettent la réalisation des réactions dans des conditions optimisées, notamment en terme de consommation énergétique. Par leurs applications environnementales, les catalyseurs contribuent à la limitation des émissions des polluants atmosphériques.

Les procédés catalytiques favorisent globalement la compétitivité de l'industrie chimique : amélioration de la productivité des sites, des rendements de synthèse, diminution des coûts liés à l'énergie et aux traitements des déchets ...

Les contraintes environnementales auxquelles sont soumis les secteurs industriels français sont identifiées comme des facteurs qui pèsent sur la compétitivité de ces secteurs. Le développement de procédés de traitements des pollutions performants du point de vue économique est donc un enjeu. Les applications environnementales des procédés catalytiques doivent être considérées dans ce contexte.

L'importance des impacts du développement des procédés catalytiques est soulignée par le choix de la catalyse comme un des trois axes technologiques du pôle à vocation mondiale « chimie environnement Lyon Rhône-Alpes » (Axelera).

Marché

Le marché de la catalyse se répartit sur les grands segments suivants :

• polymères et produits chimiques : la fabrication de plus de 80 % des produits chimiques dépend de réactions catalytiques ;
• protection de l'environnement : traitement des émissions gazeuses des sources fixes (industrie) et des véhicules (pots catalytiques), traitement des eaux ;
• énergie : raffineries.

On peut estimer le marché mondial actuel des catalyseurs entre 12 et 13 Md$. Ces chiffres ne tiennent pas compte des développements réalisés en interne par les grands groupes chimiques. Ceux-ci sont très importants, une part significative des catalyseurs pour l'industrie chimique est, en fait, produite par les utilisateurs eux-mêmes. D'après la North American Catalysis Society, les polymères et produits chimiques représenteraient 43 % du marché, l'environnement 35 % et le raffinage 22 %. Le marché de la catalyse reste dynamique. Ainsi dans les domaines de l'environnement et de l'énergie, le taux de croissance annuel moyen du marché de la catalyse devrait atteindre près de 13 % par an jusqu'en 2009.

Acteurs

Disciplines scientifiques : biochimie, chimie physique, chimie analytique, chimie moléculaire, chimie du solide, matériaux, physique des milieux dilués, génie des procédés, génie des matériaux.

Compétences technologiques : analyse, mesure et contrôle, chimie organique, chimie de base, traitements surface, matériaux - métallurgie, biotechnologies, pharmacie – cosmétiques, environnement - pollution, procédés thermiques.

Pôles de compétitivité : Chimie-environnement Lyon (Rhône-Alpes)

Liens avec (technologies) : moteurs à pistons, biotechnologies industrielles, microtechnologies pour l'intensification des procédés.

Principaux acteurs français

Centres de compétences : IFP, IRC (Lyon), Laboratoire de Catalyse de Lille, Lacco (Poitiers), LMCCCO (Montpellier) ...

Industriels : Axens, Arkema, Ceca, Eurecat, Rhodia, Technip, Total.

Exemples d'acteurs dans le monde : Degussa (Allemagne), Engelhard (États-Unis), Johnson Matthey (Royaume-Uni) ...

Commentaires

Le positionnement de la catalyse sur les deux grands marchés que sont l'industrie chimique et l'environnement justifie le choix du pôle Axelera d'en faire un de ses trois axes thématiques stratégiques.

La France bénéficie d'un fort potentiel scientifique sur le sujet, ainsi que des groupes industriels leaders sur certains des marchés utilisateurs (PSA Peugeot Citroën et Renault dans l'automobile, Suez et Veolia dans l'environnement, Total dans l'énergie).

© Ministère de l'Économie, des Finances et de l'Industrie,
Direction Générale des Entreprises, 12/2006