Les technologies de recyclage chimique et leur rôle dans un avenir circulaire pour les plastiques

Le recyclage chimique est un terme générique désignant les processus qui décomposent les déchets plastiques en petites briques de construction. Alors que le recyclage mécanique nettoie principalement et reforme le plastique, le recyclage chimique va plus loin. Le KIDV décrit que le flux entrant du recyclage chimique peut être constitué de flux de déchets plastiques complexes tels que les films et les stratifiés, les pertes de tri et de recyclage, et les déchets plastiques mélangés. C'est pourquoi il est qualifié par de nombreux acteurs, par exemple le RVO, Plastics Europe, VNCI et la Commission européenne, de solution pour les plastiques qui ne peuvent pas être recyclés mécaniquement.

Bien que le recyclage chimique semble prometteur, de nombreuses zones d'ombre subsistent, d'autant plus que les technologies sont assez récentes et ne sont pas encore appliquées à grande échelle[1]. Dans cet article, nous souhaitons approfondir le sujet : nous expliquons ce qu'est exactement le recyclage chimique, quelles sont les différentes technologies existantes et quel type de flux de déchets elles peuvent traiter. De plus, nous avons publié un one-pager qui résume cet article.

Un aperçu des technologies

Il n'existe pas encore de définition unique du recyclage chimique, et les technologies qui en relèvent ne sont pas non plus clairement définies. En effet, les méthodes appliquées diffèrent fortement dans la mesure où elles décomposent les plastiques. Pour simplifier, nous définissons le recyclage chimique dans cet article comme les quatre technologies suivantes :

1. La dissolution (dissolution et séparation du polymère)

2. La dépolymérisation (décomposition en monomères)

3. La pyrolyse (décomposition en produits huileux)

4. La gazéification (décomposition en gaz simples)

Ces technologies peuvent être classées en fonction de leur processus. Dans les processus à chaîne courte (dissolution et dépolymérisation), la chaîne moléculaire reste autant que possible intacte et peu d'étapes sont nécessaires pour fabriquer à nouveau des produits finis utiles. En revanche, les processus à chaîne longue (pyrolyse et gazéification) décomposent davantage le plastique en substances de base, qui doivent ensuite être converties en produits utilisables par l'industrie chimique. Cela demande plus d'énergie et d'étapes de processus, ce qui fait que l'impact climatique est généralement plus élevé. Par conséquent, on peut logiquement soutenir que les processus à chaîne longue relèvent en réalité de la valorisation chimique plutôt que du recyclage chimique.

Plongeons plus profondément dans les processus, la qualité, les coûts et les limites de chaque technologie.

Dissolution

Lors de la dissolution, également appelée recyclage physique, le polymère plastique est séparé des impuretés sans que la structure chimique du polymère ne soit modifiée[4]. Étant donné que seules les propriétés physiques sont adaptées, cette technologie est également perçue comme une forme avancée de recyclage mécanique, mais nous la classons dans cet article comme un processus de recyclage chimique[1].

1. COMMENT FONCTIONNE LE PROCESSUS ?

Le processus simplifié est illustré dans la Figure 2[1,5,6,7]. Après le tri, le lavage, le séchage et le broyage, le polymère cible est dissous dans un solvant approprié. Le solvant est choisi de manière à ce que le polymère devienne soluble, tandis que la plupart des impuretés telles que les étiquettes, les encres, les charges ou d'autres polymères restent solides. Les impuretés solides et dissoutes sont éliminées par des étapes de purification. Cela augmente la qualité finale du polymère.

Le polymère est séparé du solvant par précipitation, séché, puis convient pour être transformé en nouveau plastique. Le solvant peut être purifié et réutilisé. La plupart des solvants sont non toxiques pour l'homme et l'environnement.

L'efficacité de la méthode peut être très élevée : avec un flux de PS propre, une efficacité théorique de 100 % est connue[1,2].

2. QUALITÉ DU FLUX ENTRANT

La dissolution est en théorie adaptée aux flux de plastique complexes qui sont difficiles à recycler mécaniquement, tels que les films métallisés ou les flux de déchets plastiques mélangés. En théorie, n'importe quel polymère peut être dissous si un solvant sélectif et approprié est disponible. En pratique, ce n'est pas (encore) le cas et un flux entrant homogène ainsi que de l'énergie sont nécessaires pour une séparation efficace, en plus d'un solvant bien développé[1, 8].

3. QUALITÉ DU PRODUIT FINI

Le processus peut donner un polymère qui approche presque la qualité du plastique vierge, ce qui le rend attractif pour des applications à haute valeur ajoutée. La qualité dépend toutefois fortement des impuretés résiduelles, et les polymères ne conviennent donc probablement pas aux emballages alimentaires et autres applications sensibles au contact[1, 2].

4. COÛTS

Le KIDV a réalisé un calcul de modèle pour les coûts de processus, en prenant pour exemple le processus Creasolv qui convertit les déchets d'EPS en nouveau PS. Avec une capacité de flux entrant de plastique de 20 kilotonnes par an, les coûts d'investissement s'élèvent à 26,1 millions d'euros et les coûts opérationnels annuels à 12,1 millions d'euros.

Les coûts de production s'élèvent à 672 € par tonne de déchets plastiques, le poste de coût le plus élevé étant la consommation d'énergie. Le bénéfice est de 962 € par tonne de déchets plastiques, mais il dépend fortement du prix du pétrole qui détermine le prix du PS vierge. À mesure que la capacité augmente, les coûts de production diminuent.

5. INCONVÉNIENTS ET LIMITES

• Bien qu'il soit théoriquement possible de recycler un flux mélangé, les variations dans le flux entrant entraînent des impuretés résiduelles car les solvants sont conçus pour un polymère spécifique. Cela rend le processus sensible aux fluctuations des déchets, ce qui nécessite un flux homogène[1].

• Le processus n'est pas applicable à l'infini : tout comme pour le recyclage mécanique, les polymères sont broyés et chauffés pendant le traitement, ce qui raccourcit les chaînes [9].

• Il existe un risque de résidus d'additifs ou de solvants, ce qui peut affecter la qualité du produit.

• La technologie demande plus d'énergie et d'adjuvants chimiques que le recyclage mécanique[8].

Dépolymérisation

La dépolymérisation, également appelée chemolyse ou solvolyse, est une forme de recyclage chimique dans laquelle un polymère est décomposé en ses briques de construction d'origine : les monomères. Cela se fait par réaction avec des produits chimiques qui rompent les liaisons dans la chaîne polymère[10].

La technologie fonctionne avec des polymères ayant des liaisons spécifiques, appelés polymères de condensation. Les exemples importants sont le PET, le PLA, le PU et le PA[1]. Les polymères de condensation sont sensibles à la dépolymérisation car leurs monomères sont liés par des liaisons réactives qui sont chimiquement plus fragiles que, par exemple, les liaisons carbone dans le PE ou le PP. Par conséquent, ils peuvent être relativement facilement « décomposés » à l'aide de produits chimiques en chaînes plus courtes ou en monomères individuels [11]. De plus, la technologie est appliquée par Trinseo sur le PMMA, un monomère ayant une très faible part de marché dans le plastique, utilisé entre autres pour remplacer le verre.

1. COMMENT FONCTIONNE LE PROCESSUS ?

Il existe différentes formes de dépolymérisation, selon le réactif utilisé, comme l'hydrolyse (réaction avec l'eau), la glycolyse (réaction avec le glycol), l'alcoolyse (réaction avec l'alcool) et la méthanolyse (réaction avec le méthanol). Chaque méthode donne des monomères différents[1, 10]

Le processus est illustré dans la Figure 3[1, 10]. Après le prétraitement des déchets plastiques, les chaînes de polymères sont décomposées en monomères ou oligomères à l'aide d'un produit chimique spécifique et d'un catalyseur. Les impuretés résiduelles, les résidus de catalyseur et les sous-produits sont éliminés lors d'étapes de purification (précipitation, filtration, distillation). Le catalyseur et le réactif utilisé peuvent généralement être récupérés et réutilisés. Le produit final est un monomère pur, qui peut ensuite être polymérisé pour en faire du nouveau plastique.

En utilisant un flux entrant de PET trié, une efficacité de plastique à plastique d'environ 97 % peut être atteinte[5].

2. QUALITÉ DU FLUX ENTRANT

Le flux entrant doit être relativement homogène et pur. La quantité de pollution tolérable n'est pas encore bien établie techniquement, mais on sait que les impuretés perturbent la réaction chimique[12].

3. QUALITÉ DU PRODUIT FINI

Un avantage important de la dépolymérisation est qu'il n'y a pas de perte de qualité : les monomères sont de la même qualité que les monomères vierges[1]. Cela permet de produire des applications à haute valeur ajoutée, comme les emballages alimentaires, et de les recycler plus souvent que par les voies mécaniques.

4. COÛTS

Le KIDV a réalisé un calcul de modèle pour les coûts de processus, en prenant pour exemple la glycolyse du PET. Pour une capacité de flux entrant de plastique de 20 kilotonnes par an, les coûts d'investissement s'élèvent à 18,7 millions d'euros et les coûts opérationnels annuels à 11,2 millions d'euros.

Les coûts de production s'élèvent à 605 € par tonne de déchets plastiques, les coûts les plus élevés étant liés à la consommation d'énergie. Le bénéfice est de 307 € par tonne de déchets plastiques, mais l'échelle du processus, le prix du pétrole et le prix des déchets plastiques ont tous trois une grande influence sur le bénéfice.

5. INCONVÉNIENTS ET LIMITES

• La méthode nécessite des flux entrants très purs, car les impuretés perturbent la réaction chimique. Les prétraitements et les tris sont donc cruciaux, ce qui entraîne plus de pertes [1,8].

• On ne sait pas encore assez quelle variation dans les flux de déchets le processus peut tolérer[1].

• La technologie demande plus d'énergie et plus d'adjuvants chimiques que le recyclage mécanique[8].

• La technologie n'est applicable qu'à un nombre limité de polymères (polymères de condensation).

Pyrolyse

La pyrolyse, également connue sous le nom de craquage thermique ou thermolyse, est une technologie de recyclage chimique dans laquelle le plastique est décomposé en petits hydrocarbures en le chauffant fortement en l'absence d'oxygène. La réaction a généralement lieu à une température de 200 à 900 °C, selon la conception du processus. Le résultat est un mélange de produits, dont le principal est l'huile de pyrolyse, aux côtés de gaz, de cires et de charbon[1].

Comme la pyrolyse est un processus de craquage aléatoire, il en résulte un mélange complexe qui nécessite une purification intensive et coûteuse avant de pouvoir être utilisé comme matière première dans l'industrie chimique [12]. De nombreuses recherches sont actuellement menées sur la pyrolyse catalytique, dans laquelle des catalyseurs aident à fabriquer des produits ciblés à des températures plus basses. L'avenir dira si ces techniques seront réalisables à grande échelle dans les années à venir[13].

1. COMMENT FONCTIONNE LE PROCESSUS ?

Le processus de pyrolyse est illustré dans la figure 4 [12, 13, 14]. Dans le réacteur de pyrolyse, les déchets plastiques sont chauffés et les polymères sont décomposés. Les vapeurs issues du processus sont refroidies, ce qui permet de séparer l'huile de pyrolyse condensable des gaz non condensables. Ces gaz sont souvent brûlés directement pour fournir de la chaleur au processus.

Pour transformer l'huile de pyrolyse en produits utilisables, elle doit être mélangée dans un vapocraqueur, qui est la technologie la plus couramment utilisée pour produire des plastiques à partir de naphta fossile (pétrole) [1, 12, 13, 14, 15]. Le vapocraquage nécessite un flux entrant prévisible et très pur, et l'huile de pyrolyse non purifiée contient souvent des concentrations élevées d'impuretés, telles que des composés chlorés, azotés et oxygénés, qui sont nocifs pour la sécurité et pour l'installation. C'est pourquoi une purification approfondie est nécessaire avant que l'huile puisse être ajoutée à un craqueur, ce qui nécessite un apport d'énergie élevé. En pratique, l'huile de pyrolyse n'est mélangée qu'à hauteur d'environ 5 à 10 % [14, 16, 17] avec du naphta fossile, car l'huile varie encore fortement sur le plan chimique. Par conséquent, seule une petite partie des produits chimiques de base pour les plastiques produits par un vapocraqueur provient de matériaux recyclés. Des développements existent, comme CoolBrook qui craque 100 % d'huile de pyrolyse, mais ces méthodes ne sont pas encore transposables à grande échelle.

Puisque l'huile de pyrolyse est toujours mélangée avec du naphta fossile pour la production de plastique, le recyclat est chimiquement indissociable du matériau fossile. La Commission européenne prescrit donc l'utilisation de bilans de masse pour calculer la part de plastique recyclé dans le produit fini. L'efficacité plastique à plastique est d'environ 49 % selon le principe du bilan de masse excluant le carburant (fuels-exempt)[2]. Cette méthode de calcul présente des inconvénients, mais nous n'entrerons pas dans les détails dans cet article. Cet one-pager de Zero Waste Europe donne un aperçu des problèmes liés aux calculs de bilan de masse.

2. QUALITÉ DU FLUX ENTRANT

La pyrolyse est présentée au marché comme une technologie adaptée au traitement de flux de plastique contenant encore des impuretés. Dans ce contexte, il s'agit d'impuretés provenant d'autres déchets ou d'encres, d'additifs ou d'autres polymères. Cependant, il y a toujours une limite à la quantité d'impuretés possible, et les opérateurs de pyrolyse exigent une pollution maximale de 15 %[13].

La pyrolyse est la plus adaptée aux plastiques ayant une liaison carbone-carbone, comme le PE et le PP. Ces polymères fournissent une huile qui ressemble le plus au naphta fossile. Les plastiques contenant de l'oxygène (PET) ou du chlore (PVC) ne conviennent pas en raison de la formation de sous-produits indésirables tels que des acides et du chlorure d'hydrogène. La pyrolyse du PS et du PMMA est techniquement possible mais nécessite une purification supplémentaire[8, 18]. Des recherches scientifiques sont toutefois menées sur les possibilités de pyrolyse du PET, par exemple avec l'utilisation de catalyseurs[13].

3. QUALITÉ DU PRODUIT FINI

Lorsque de l'huile de pyrolyse bien purifiée est mélangée en petites quantités dans un craqueur, il en résulte des produits chimiques de base identiques aux produits chimiques fossiles. Ainsi, les plastiques recyclés par pyrolyse peuvent être réutilisés pour des applications de haute qualité. La température et la composition du flux entrant déterminent fortement la composition chimique de l'huile de pyrolyse[1, 18].

4. COÛTS

Le KIDV a réalisé un calcul de modèle pour les coûts de processus de la pyrolyse rapide à basse température. Le calcul prend en compte un prix négatif pour le flux entrant de déchets plastiques, car on s'attend à ce que les acheteurs soient payés pour traiter ce flux. Avec une capacité de flux entrant de 30 kilotonnes par an, les coûts d'investissement s'élèvent à 25,4 millions d'euros et les coûts opérationnels annuels à 8,0 millions d'euros.

Les coûts de production s'élèvent à 310 € par tonne de déchets plastiques, les coûts les plus élevés étant liés à la main-d'œuvre et non à la consommation d'énergie, puisque les gaz produits peuvent être brûlés pour la chaleur du processus. Le bénéfice est de 100 € par tonne de déchets plastiques, mais cela n'est calculé que pour la production de diesel, de naphta et de gaz, et non pour une transformation ultérieure en plastiques.

5. INCONVÉNIENTS ET LIMITES

• Le processus est très énergivore et nécessite des températures élevées.

• La composition de l'huile de pyrolyse est très variable, ce qui rend nécessaires une purification lourde et un mélange avec du naphta fossile. De ce fait, le recyclat chimique issu de l'huile de pyrolyse reste dépendant d'une infrastructure fossile.

• Des substances extrêmement préoccupantes (Sujets de Préoccupation Majeure - SVHC) peuvent être présentes dans l'huile de pyrolyse ou même se former au cours du processus. Le post-traitement élimine une partie de ces substances, mais on ignore quelle quantité de SVHC reste finalement dans l'huile de pyrolyse purifiée[13].

• Le PVC et le PET peuvent perturber le processus.

• Une administration de bilan de masse est nécessaire, car les hydrocarbures recyclés et vierges se mélangent complètement et sont physiquement indissociables.

Gazéification

La gazéification est une technique de recyclage chimique dans laquelle le plastique est converti en un gaz de synthèse (syngas) : un mélange de monoxyde de carbone (CO), d'hydrogène (H2), de dioxyde de carbone (CO2), de méthane (CH4) et d'hydrocarbures légers. Le gaz de synthèse peut être utilisé comme matière première pour de nouveaux produits chimiques, des carburants ou – après de nombreuses étapes de processus supplémentaires – comme base pour la production de plastique[17]. La gazéification est réalisée à des températures très élevées, entre 800 et 1500 °C, en présence d'une quantité contrôlée d'oxygène[19].

La technique est moins sensible aux variations du flux de déchets que la pyrolyse, mais demande considérablement plus d'énergie, des températures plus élevées et une échelle d'installation industrielle plus grande. C'est pourquoi le Versnellingshuis Chemische Recycling affirme que la gazéification n'est possible que sur de grands sites industriels dotés d'installations de sécurité étendues, comme Chemelot ou le Botlek aux Pays-Bas.

1. COMMENT FONCTIONNE LE PROCESSUS ?

Les étapes du processus de gazéification sont illustrées dans la figure 5[1, 5, 19, 20]. Après le tri et le séchage des déchets, où ils sont parfois mélangés à de la biomasse, la matière est chauffée. Les polymères se décomposent alors complètement en molécules de gaz simples, à savoir le gaz de synthèse. Techniquement parlant, le processus est comparable à la gazéification du charbon ou de la biomasse, mais la stabilité thermique des plastiques rend les gazogènes traditionnels moins adaptés à cette application.

Le gaz de synthèse contient souvent des impuretés, par exemple des composés de soufre ou de chlore, qui doivent être éliminés pour éviter d'endommager les équipements. Ce n'est qu'après un nettoyage approfondi que le gaz de synthèse peut être converti en d'autres produits, tels que l'ammoniac (matière première pour les engrais), les carburants de synthèse, l'éthanol (l'une des rares applications commerciales à plus grande échelle) et les plastiques. De nouveaux plastiques peuvent être produits via des processus tels que le méthanol-vers-oléfines (MTO) et la synthèse de Fischer-Tropsch. Ces voies nécessitent de nombreuses étapes de processus supplémentaires pour obtenir des oléfines (PE, PP) à partir de gaz de synthèse[21, 22].

L'efficacité plastique à plastique du processus est de 34 %, ce qui est considérablement plus bas que la pyrolyse en raison des étapes de processus supplémentaires pour transformer le gaz de synthèse en produits finis utilisables[2].

2. QUALITÉ DU FLUX ENTRANT 

La gazéification peut traiter presque tous les plastiques, tant qu'ils ont une teneur élevée en carbone. La méthode est moins sensible à la qualité du flux entrant que la pyrolyse et, en pratique, des flux mélangés ou pollués sont également gazéifiés[1].

3. QUALITÉ DU PRODUIT FINI 

Le gaz de synthèse est une matière première de faible valeur par rapport à l'huile de pyrolyse, car il est composé de molécules très simples. L'utilisation du gaz de synthèse pour faire du nouveau plastique est très limitée et, en pratique, il est principalement utilisé pour la production d'énergie, de carburant et de produits chimiques de base comme l'ammoniac[2].

4. COÛTS

Le KIDV a réalisé un calcul de modèle pour les coûts de processus de la gazéification à haute température des résidus de tri. Le calcul prend en compte un prix négatif pour le flux entrant de déchets plastiques. Pour une capacité de flux entrant de 100 kilotonnes par an, les coûts d'investissement s'élèvent à 81,9 millions d'euros et les coûts opérationnels annuels à 40,8 millions d'euros.

Les coûts de production s'élèvent à 449 € par tonne de déchets plastiques, les coûts les plus élevés étant liés à la nécessité d'utiliser des gaz industriels. Le bénéfice est négatif et s'élève à -89 € par tonne de déchets plastiques, mais cela suppose que du méthanol soit fabriqué avec le gaz de synthèse obtenu.

5. INCONVÉNIENTS ET LIMITES

• Le processus nécessite des températures très élevées et donc beaucoup d'énergie.

• Des étapes de post-traitement complexes sont nécessaires pour purifier le gaz de synthèse et le convertir en plastiques, ce qui rend l'efficacité globale de plastique à plastique faible et l'impact climatique élevé.

• La teneur énergétique du gaz de synthèse est inférieure à celle du gaz naturel, ce qui rend son utilisation comme gaz naturel synthétique moins attractive[1]

Compatibilité des types de plastiques par technologie de recyclage 

Toutes les technologies de recyclage chimique ne conviennent pas à tous les types de plastique et à tous les types de produits. La compatibilité dépend, entre autres, de la structure chimique du polymère, de la présence d'impuretés dans les déchets et du produit cible. Le tableau 1 résume les plastiques qui peuvent être traités par dissolution, dépolymérisation, pyrolyse et gazéification. 

Tableau 1. Les types de plastiques traitables par méthode de recyclage chimique[1, 12, 13].

Conclusion et suite

Le recyclage chimique offre des opportunités importantes pour les flux de plastique difficiles qui, autrement, ne pourraient pas être recyclés ou ne le seraient que de manière peu qualitative. Les technologies ont le potentiel de produire des polymères de qualité vierge, utilisables pour des applications à haute valeur ajoutée. 

Dans le même temps, ces technologies en sont encore à un stade de développement technique relativement précoce. Pour de nombreux processus, la stabilité de leur fonctionnement, la variation des flux de déchets qu'ils peuvent supporter et la mesure dans laquelle les améliorations technologiques, telles que les catalyseurs capables de rendre les processus plus efficaces, se développeront réellement restent incertaines. De plus, tous les types de plastique ne peuvent pas être traités : la dépolymérisation ne traite que les polymères de condensation comme le PET et le PA, et le PMMA, tandis que la pyrolyse est surtout adaptée au PE et au PP, et moins au PVC ou au PET. 

Par ailleurs, les différentes technologies présentent leurs propres limites de système. Un défi majeur pour les processus à chaîne courte est la tolérance limitée aux impuretés, ce qui les rend dépendants de flux entrants homogènes, bien triés et lavés. Cela rend le passage à l'échelle complexe, malgré une efficacité plastique à plastique relativement élevée. Pour les processus à chaîne longue, ce sont précisément la faible efficacité plastique à plastique, les étapes de processus supplémentaires requises pour recréer des polymères à partir d'huile de pyrolyse ou de gaz de synthèse, et l'impact climatique associé qui constituent des limites majeures.

C'est pourquoi le recyclage chimique reste avant tout une solution complémentaire, et non évidente, pour les déchets plastiques. La Fair Resource Foundation mènera des recherches supplémentaires sur ces technologies dans la période à venir, afin que nous puissions par la suite apporter plus de précisions sur leur potentiel réel et leur rôle dans la transition vers une chaîne plastique circulaire.

Références

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