Le Diester®
Un agrocarburant est un carburant obtenu à partir de ressources issues de l'agriculture, par opposition aux carburants issus de ressources fossiles. Il vient en complément ou en substitution du combustible fossile.
L'objet de cet exercice est l'étude de la synthèse du Diester® à partir de l'huile de colza.
Le Diester®
Développé dans les années 1980, le Diester® (marque déposée provenant de la contraction de "DIESel" et "esTER") est le nom donné au premier agrocarburant issu essentiellement de la transformation des huiles de colza et de tournesol, végétaux cultivés en France.
Schéma de la chaîne de fabrication d'un carburant à base de Diester®
D'après lesbiocarburants.e-monsite.com
Au-delà de sa teneur quasi nulle en soufre, le Diester® contribue à la lutte contre le réchauffement climatique avec un bilan carbone réputé plus favorable que le gazole fossile.
Néanmoins, ces agrocarburants de première génération ont un bilan controversé du fait de l'occupation de terres cultivables et de la remise en cause de leur neutralité environnementale.
La transformation de l'huile de colza
L'huile de colza est un mélange d'esters d'acide gras. Dans un souci de simplification, on l'assimilera à son constituant majoritaire, le trioléate de glycéryle.
La modification de cette huile est nécessaire pour le fonctionnement d'un moteur diesel. Elle va donc subir une transformation appelée transestérification en présence d'un excès de méthanol et d'hydroxyde de potassium de formule \ce{KOH}. On obtient l'oléate de méthyle qui sera assimilé au Diester® ainsi qu'un produit dérivé, la glycérine. L'équation chimique de la réaction modélisant cette transformation est écrite ci-après :
Données
| Caractères physico-chimiques | Gazole | Huile de colza | Diester® |
| Masse volumique (kg/m3 à 15°C) | 820 - 860 | 920 | 880 |
| Viscosité à 40°C (en mm/s) | 2 - 4,5 | 30,2 | 4,5 |
| Indice de cétane | 51 | 35 | 49 - 51 |
| Teneur en soufre (mg/kg) | 350 | \approx 0 | \approx 0 |
L'indice de cétane
L'indice de cétane évalue la capacité d'un carburant à s'enflammer sur une échelle de 0 à 100. Il est particulièrement important pour les moteurs diesel dans lesquels le carburant doit s'auto-enflammer sous l'effet de la compression. Un carburant à haut indice de cétane est caractérisé par sa facilité à s'auto-allumer.
| Formule brute | Masses molaires (g.mol-1) | |
| Trioléate de glycéryle | \ce{C57H104O6} | 884 |
| Méthanol | \ce{CH3OH} | 32 |
| Glycérine | \ce{C3H8O3} | 92 |
| Oléate de méthyle | \ce{C19H36O2} | 296 |
| Hydroxyde de potassium | \ce{KOH} | 56 |
On donne les représentations des molécules de méthanol et d'oléate de méthyle :
Quelle est la représentation correcte des groupes caractéristiques présents dans le méthanol et l'oléate de méthyle ?
Le méthanol porte un groupe hydroxyle qui lui confère la fonction alcool :
L'oléate de méthyle porte un groupe carboxyle lié à une chaîne carbonée qui lui confère la fonction ester :
Quel est le nom, en nomenclature systématique, de la glycérine ?
Étant donné que la glycérine possède trois groupes hydroxyles \ce{OH}, son nom porte le suffixe -triol.
La glycérine est nommée propan-1,2,3-triol en nomenclature systématique.
Pour simplifier l'écriture d'étapes du mécanisme réactionnel de cette transestérification d'un triester, on donne les étapes d'une transestérification analogue sur l'exemple d'un ester simple :
Mécanisme réactionnel d'une transestérification en milieu basique
Dans le cas de l'huile de colza, le changement de groupe caractéristique s'applique aux trois groupes présents dans le trioléate de glycéryle.
Quelle proposition correspond à l'étape 2 du mécanisme correctement complétée à l'aide de flèches courbes ?
Qu'est-ce qui justifie le terme de catalyse basique associé à la transestérification ?
On remarque que l'ion hydroxyde \ce{HO–} est consommé à l'étape 1 et régénéré lors de l'étape 4. Puisqu'il augmente le vitesse de réaction, il est donc un catalyseur pour cette réaction de transesterification.
De plus l'ion hydoxyde \ce{HO–} est une base selon Brönsted, ce qui implique que l'on parle de catalyse basique.
Le terme de catalyse basique est donc adapté à cette réaction.
Quelle proposition justifie correctement le fait qu'une transestérification de l'huile de colza soit nécessaire avant son incorporation au gazole ?
Un carburant à haut indice de cétane est caractérisé par sa facilité à s'auto-allumer (ce qui est recherché dans le cas des moteurs). En effet, pour les moteurs diesel, le carburant doit s'auto-enflammer sous l'effet de la compression. Or, l'indice de cétane de l'huile de colza n'est que de 35, alors qu'il est de 51 pour le gazole et le Diester®.
La transesterification permet d'obtenir le Diester® dont l'indice de cétane est plus élevé que l'huile de colza.
Le schéma de la chaîne de fabrication d'un carburant à base de Diester® suggère que 1150 kg d'huile de colza permettent d'obtenir environ 1200 l de Diester®.
Quel est le volume de Diester® obtenu théoriquement si la transestérification est totale
Quelle explication peut-on donner pour rendre compte d'un éventuel écart entre la valeur du volume de Diester® trouvée et celle annoncée ?
On sait qu'une mole d'huile de colza conduit à trois moles de Diester®. On peut alors écrire :
n_{diester}=3 \times n_{trioléate}
\dfrac{m_{diester}}{M_{diester}}=3 \times \dfrac{m_{trioléate}}{M_{trioléate}}
\dfrac{\rho_{diester} \times V}{M_{diester}}=3 \times \dfrac{m_{trioléate}}{M_{trioléate}}
V= \dfrac{3 \times m_{trioléate}\times M_{diester}}{M_{trioléate} \times \rho_{diester}}
On effectue l'application numérique :
V= \dfrac{3 \times 1\ 150 \times 10^3 \times 296 }{884\times 880\times 10^3}
V=1{,}31 m3
V=1{,}31 \times10^3 l
On ne retrouve pas exactement le volume annoncé (1200 l). L'écart peut-être expliqué par le fait que l'huile de colza est un mélange d'esters d'acide gras et non pas uniquement constitué de trioléate de glycéryle.
Quelle proposition avance correctement un avantage et un inconvénient à l'ajout d'un agrocarburant comme le Diester® dans le gazole ?
Avantage : Le bilan carbone est plus favorable avec la combustion du Diester® qu'avec le gazole, ce qui limiterait le réchauffement climatique.
Inconvénient : L'occupation de terres cultivables par le colza et le tournesol se ferait au détriment d'autres cultures utiles pour nourrir l'humanité.