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Aérogels de silice: une histoire industrielle

Il y a une quinzaine d’années, une équipe des Mines de Paris s’est rapproché de PCAS, un groupe français spécialisé dans la chimie fine, pour lui proposer de collaborer au développement d’une technologie innovante et prometteuse, les aérogels de silice. Les premiers travaux de R&D pour l’élaboration de cette nouvelle classe de matériaux super-isolants ont alors commencé au sein d’une équipe élargie comprenant également le professeur Gérard Pajonk de l’Université de Lyon. Cette recherche collaborative menée tant au sein du laboratoire des Mines (aujourd’hui dénommé PERSEE) qu’au sein de PCAS a fortement contribué à la création de sa filiale Enersens. Cette dernière articule recherche et applications industrielles sur ce produit innovant qu’est l’aérogel de silice.

Wednesday
21
February 2018
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Pour le développement des aérogels de silice (des super-isolants extrêmement légers), l’industriel PCAS et Mines ParisTech ont commencé à un TRL assez faible. Mais les considérations industrielles, l’ambition de développer une spécialité et de créer une filière, sont présentes dès l’origine. Entre les deux partenaires, une collaboration au long cours, détaillée dans cet article, aboutit à la décision de filialiser cette activité avec la création d’Enersens, une entreprise complètement dédiée à cette technologie. Son objectif est la production de masse, sur des marchés qui sont demandeurs de gros volumes : le bâtiment, l’industrie, le transport, l’électroménager. Ce sont des marchés gourmands en matériaux. A côté de l’isolation thermique dans le bâtiment, il y a aussi des usages en environnement industriel : dès qu’il y a des procédés qui consomment de l’énergie, il y a des questions d’isolation. Or qui dit isolation dit aussi prise de place. Il est aussi possible de développer avec les granules d’aérogels des solutions standard qui ne soient pas du « sur-mesure » et répondent bien, à un prix compétitif, à un certain nombre de contraintes dont la performance thermique et le gain de place. L’objectif à moyen et long terme est de réduire les prix et d’être suffisamment compétitif pour que les aérogels de silice trouvent un espace sur le marché de l’isolation thermique face aux solutions classiques – polystyrène, laine de verre, polyuréthane.

Paris Innovation Review – La chimie fine traite habituellement de faibles volumes, et les procédés de synthèse disponibles il y a vingt ans avaient été développés à l’échelle du laboratoire. Étaient-ils d’emblée extensibles à une production industrielle?

Brice Fiorentino – Comme dans toute innovation, le schéma classique est de partir d’une échelle laboratoire, à un certain TRL (Technology Readiness Level)… Le TRL a été conçu historiquement pour l’aéronautique. Il part de 1, va jusqu’à 9, et permet de décrire la maturité d’une technologie : un TRL très faible (1, 2, ou 3) correspond le plus souvent à de la recherche fondamentale, ou recherche amont : on développe le concept, l’idée. Aux niveaux de TRL suivants (4, 5, 6, voire 7), on réalise un scale-up de l’échelle laboratoire à une échelle pilote de la technologie identifiée. Ensuite, au TRL 8 ou 9, on vient tester l’innovation dans des environnements réels, à une échelle industrielle, avant la commercialisation du produit.

Pour le développement des aérogels de silice, PCAS et les Mines ont commencé à un TRL assez faible : ils n’avaient pas toutes les connaissances, ils avaient besoin d’en acquérir à la fois sur la chimie de la silice et sur les procédés technologiques qui permettaient de synthétiser les aérogels, d’où la participation du laboratoire de l’Université de Lyon au projet initial. Ils ont donc réalisé leurs premiers tests à une échelle laboratoire, pour valider étape par étape le passage à une échelle pilote.

Dans l’histoire industrielle des aérogels, il y a une rupture : dans un premier temps, Patrick Achard et ses collègues des Mines travaillent au sein de l’équipe élargie sur le monolithe, mais après quelques années ils s’aperçoivent que le passage du laboratoire à l’industrie sera difficile et que la viabilité économique est loin d’être avérée. Ils vont alors « pivoter » vers une autre solution, les granules d’aérogels de silice. PCAS a-t-il contribué à ce changement de direction?

Oui. Les tests étaient aussi réalisés, à la même époque, dans les laboratoires de PCAS, qui participaient activement au travail de recherche et développement et ont dû contribuer au choix stratégique de s’orienter sur les granules. Il faut comprendre que c’est un vrai partenariat, avec des transferts technologiques de la recherche vers l’industrie, mais aussi avec des échanges, des réflexions menées en commun.

Les considérations industrielles, l’ambition de développer une spécialité et de créer une filière, sont présentes dès l’origine. PCAS a été identifié par Mines ParisTech – dont l’une des missions fondamentales est de contribuer au développement industriel de la France – comme l’acteur industriel capable de prendre une part active au développement puis à l’industrialisation de l’aérogel de silice. Au fil des années, PCAS a pris le lead sur cette technologie. À l’heure actuelle, Mines ParisTech continue à apporter des connaissances, mais plus les années ont passé, plus on s’élevait dans l’échelle TRL, plus l’expertise de PCAS sur les aérogels de silice s’est affinée, notamment pour ce qui est des procédés.

Les chercheurs ont une connaissance, un savoir-faire sur une thématique, à une échelle laboratoire, et l’objectif d’une école comme Mines ParisTech est de transmettre cela au monde économique par différents moyens dont la formation de jeunes docteurs spécialisés. Ce qui est intéressant est que cette transmission ne se fait pas sur un mode ponctuel, comme dans le cas d’un brevet : nous parlons ici d’une collaboration au long cours, avec des échanges, des interactions constantes, des décisions stratégiques prises en bonne intelligence, et une montée en compétence du partenaire industriel, jusqu’à la décision de filialiser cette activité avec la création d’Enersens, une entreprise complètement dédiée à cette technologie, capable de concentrer toute son action sur l’industrialisation de l’aérogel.

La vocation d’Enersens, à terme, est-elle la production de masse?

Oui, l’objectif est de développer trois ou quatre gammes de produits, vendus à très gros volumes. L’entreprise est positionnée sur des marchés qui sont demandeurs de gros volumes : le bâtiment, l’industrie, le transport, l’électroménager. Ce sont des marchés gourmands en matériaux, et qui donc nécessitent des volumes importants de production pour les clients qui souhaitent les utiliser.

Parlons des usages industriels, justement. On parle souvent de l’isolation thermique dans le bâtiment, mais quels sont les autres?

C’est l’usage le plus connu, sans doute du fait de son inscription dans des programmes publics à l’échelle française ou européenne pour développer des nouvelles technologies pour l’efficacité énergétique du bâtiment et soutenir les entreprises qui développent ces produits.

Dès qu’il y a des procédés qui consomment de l’énergie, il y a des questions d’isolation. Or qui dit isolation dit aussi prise de place.

Mais il y a aussi d’autres domaines de l’isolation, notamment l’isolation industrielle : toute industrie a des flux – des flux de chaleur, de vapeur, d’eau –, qui doivent être acheminés dans des conduits ou via des enceintes isolés pour éviter les déperditions thermiques et permettre le maintien des matières en température. Il existe donc une réelle demande de l’industrie, que ce soit dans la chimie ou dans le secteur pétrolier. Dès qu’il y a des procédés qui consomment de l’énergie, il y a des questions d’isolation. Or qui dit isolation dit aussi prise de place : si vous voulez isolez un tube qui transporte un flux de chaleur, vous allez perdre de l’espace en isolant ce tube. C’est ici que les propriétés thermiques exceptionnelles des aérogels offrent des solutions. Enersens offre des solutions qui sont plus efficaces, consommant moins d’espace, que les isolants classiques.  

Est-ce que ça signifie que c’est plutôt, à moyen terme, un marché de niche, pour des entreprises qui ont besoin d’une solution spécifique? Ou l’ambition est-elle de développer la nouvelle génération d’isolants, qui remplacera la précédente?

À court terme nous visons surtout des marchés spécifiques. Mais ce ne sont pas forcément des niches. Et il est parfaitement possible de développer avec les granules d’aérogels des solutions standard qui ne soient pas du « sur-mesure » et répondent bien, à un prix compétitif, à un certain nombre de contraintes dont la performance thermique et le gain de place. L’objectif à moyen et long terme est de réduire les prix et d’être suffisamment compétitif pour que les aérogels de silice trouvent un espace sur le marché de l’isolation thermique face aux solutions  classiques – polystyrène, laine de verre, polyuréthane.

Dans un premier temps, la question est d’amorcer le marché, de commencer à y prendre des positions. Pour revenir au sujet de l’isolation thermique, Patrick Achard citait l’exemple d’une entreprise suisse qui avait un peu plus de facilités, vu son marché national, à commercialiser ses produits à base de granulats. Ce point d’appui, qui permet ensuite de développer une production plus volumineuse et donc de gagner sur les coûts, dans quel domaine Enersens pourrait-elle le trouver? En d’autres termes, quel est votre produit phare, celui sur lequel vous pourrez vous appuyer pour croître?

Plus que d’un produit particulier, il s’agit d’une caractéristique de nos produits. Sur le marché du bâtiment et notamment pour l’ITI (Isolation Thermique par l’Intérieur), la valeur ajoutée de notre produit est le gain de place. C’est un facteur très important : si vous isolez par l’intérieur, lors de la rénovation d’un bâtiment ou d’un appartement, vous allez devoir utiliser un matériau standard – laine de verre, polyuréthane, dont les performances thermiques ne sont pas aussi bonnes que celles que nous proposons à l’heure actuelle, le système d’isolation est alors moins efficace. Vous devrez mettre par exemple 15 centimètres de laine de verre. Avec les isolants à base d’aérogels, pour la même performance 5 cm d’épaisseur suffisent. J’évoquais tout à l’heure les environnements industriels ou l’espace peut être une contrainte, c’est vrai aussi du marché foncier : 10 cm de moins sur 10 mètres de linéaire, c’est 1 m2 en moins. Soit 10 000 euros à Paris, et beaucoup plus à Londres… Dès qu’on se place dans des villes où le prix du mètre carré est assez important, la solution développée par Enersens devient vraiment intéressante.

Le rapport performance thermique/espace utilisé est donc l’une des valeurs ajoutées de ce produit. Il y en a d’autres, par exemple sa performance en termes de perméabilité : il existe des isolants qui sont respirants, et c’est très important pour l’isolation thermique du bâtiment. Avec un isolant qui est en outre hydrophobe, l’eau n’est pas stockée à l’intérieur du produit : le mur va pouvoir respirer, et, en plus, il va pouvoir évacuer l’humidité qui pouvait être présente avant l’installation. Cela va éviter la moisissure ou les champignons qui peuvent se développer dans certaines conditions.

La performance dans le temps est aussi un critère important. Les aérogels de silice sont des matériaux principalement minéraux. Ils sont beaucoup plus stables dans le temps que le polystyrène ou le polyuréthane, issus de la chimie du carbone, qui sous l’effet de la chaleur, de l’humidité ou parfois des UV se dégradent et deviennent moins performants au fil des années. Dans le cas de la laine de verre, il y a aussi des problèmes de tassement : les fibres ont tendance à se tasser et des espaces libres apparaissent en haut du mur.

On pourrait aussi évoquer la stabilité au feu. Les matériaux inorganiques ont une très bonne tenue au feu. Les analyses et les tests ont montré de fortes différences sur ce plan. Dans un certain nombre d’environnements, c’est un critère important. Souvenez-vous du grand incendie dans un immeuble de Londres : le bâtiment avait été isolé en extérieur avec du polyuréthane, ce qui a contribué à la propagation du feu.

Pour atteindre un marché vraiment significatif, une des difficultés réside dans la capacité des professionnels du bâtiment à s’approprier le produit, à l’adopter.

Deux points sont à l’heure actuelle cruciaux pour attendre un marché vraiment significatif. Le premier étant de combattre les habitudes des professionnelles du bâtiment et de former les utilisateurs finaux de nos produits. Il est connu que dans le BTP, les habitudes sont difficiles à changer. Le deuxième point important aujourd’hui, est le prix de nos innovations. Nous avons déjà beaucoup de demandes de la part des professionnels du bâtiment et les principaux acteurs du secteur nous ont repérés. Malgré les propriétés que j’ai évoquées, les coûts économiques sont des facteurs cruciaux dans la conception d’un bâtiment et il est donc essentiel de parvenir rapidement à des prix compétitifs, de façon à convaincre les économistes du bâtiment, qui ont un fort pouvoir de prescription pour les gros programmes. Mais je note par ailleurs qu’ils sont de plus en plus sensibles aux questions de performance énergétique et que la réglementation les incite de plus en plus à considérer cette performance dans la durée.

Et avec les industriels, comment faites-vous? Certains d’entre eux pourraient-ils devenir des partenaires?

Il y a différentes façons de travailler. L’approche classique, commerciale : notre ingénieur technico-commercial prend contact avec un industriel pour lui proposer nos solutions : du gel de silice sous forme de granule, ou, dans un futur proche, les panneaux d’aérogels de silice. Il les rencontre, détaille les spécificités techniques, puis viennent les étapes de négociation.

Une deuxième approche consiste à faire une phase de développement commun, via des projets collaboratifs. La collaboration avec Mines ParisTech, qui a lieu depuis 15 ans, a souvent pris la forme de projets collaboratifs financés par l’ADEME ou par l’Europe. Enersens continue à présent de travailler dans cette voie, avec des acteurs industriels, pour qu’ils incorporent nos produits dans les leurs. Il faut savoir que l’aérogel de silice sous forme de granules peut s’utiliser comme une sorte d’additif. Nous travaillons donc avec des industriels des matériaux du bâtiment et ils vont intégrer l’aérogel de silice dans des produits déjà existants – enduits, mortiers, peintures, revêtements, briques, ciments, pratiquement tous les matériaux existants, pour leur apporter une propriété isolante.

L’avantage de formuler des matériaux composites, c’est que nos granules d’aérogel, dont la faiblesse est la tenue mécanique, sont dispersées dans une matrice principale – ciment, chaux, ou d’autres types de matériaux. On combine donc les propriétés thermiques de l’aérogel et les propriétés mécaniques de la matrice qui va le réceptionner.

Pour les proportions, tout dépend bien sûr de ce que vous voulez obtenir. Imaginons un matériau de base, dont on souhaite légèrement améliorer la performance thermique. On va ajouter alors un peu d’aérogel de silice dans le produit ; le surcoût occasionné va être justifié par le gain de performance. Mais il y a d’autres cas. Certains partenaires industriels souhaitent obtenir des performances thermiques optimum, les meilleures du marché. Le prix compte moins, et ils ajoutent alors beaucoup de granules dans la formulation de leurs produits. Tout est une question de performance/prix. En volume, on peut ajouter de quelques pourcents, 20%, à plus de 70% d’aérogel de silice. Tout est question de positionnement du produit final, d’analyse marketing.

Poursuivons sur ces alliances industrielles. Les procédés de synthèse des aérogels requièrent une maîtrise industrielle spécifique. À l’avenir, vos clients actuels – ceux qui mélangent vos granules à leurs produits – pourraient-ils remonter la chaine et synthétiser eux-mêmes ces granules? Ou au contraire le métier d’Enersens et de la filière qui émerge aujourd’hui est-il à part et devrait-il le rester?

Je crois plutôt à la deuxième solution. La formulation de matériaux réalisés par nos partenaires industriels est un métier tout à fait différent du nôtre. Nous sommes identifiés comme des chimistes des matériaux : il nous faut connaître le métier de nos clients et nous devons avoir nous-mêmes la capacité de formuler des matériaux pour mieux comprendre la demande de nos clients. Mais je ne les imagine pas développer eux-mêmes la production d’aérogels de silice pour prendre la place de leur fournisseur. Ce sont des métiers vraiment différents, et la technologie nécessaire pour produire des aérogels de silice de manière peu coûteuse – parce que c’est cela le plus important – est très particulière, elle exige beaucoup de savoir-faire, beaucoup d’expertise.

Il est néanmoins pas impossible qu’un acteur souhaite un jour se positionner stratégiquement sur cette technologie et s’intègre en amont.

Vous êtes protégés par cette maîtrise industrielle difficile à acquérir, mais également par le fait que vous continuez à innover. La famille des aérogels a tendance à s’agrandir, avec des incursions du côté de la chimie organique. Est-ce que vous travaillez dans ces directions?

À court terme, nous nous focalisons sur l’aérogel de silice. Sur le moyen et le long terme, c’est une autre question... Mais il y a encore aussi beaucoup de travail à réaliser sur l’industrialisation des autres solutions en cours de développement. Pas seulement pour Enersens, mais dans les labos : d’autres aérogels existent déjà, mais aucun n’est sur le marché, aucune de ces technologies n’est suffisamment mûre pour être industrialisée.

Cela nous ramène à votre partenariat avec Mines ParisTech. Comment collaborez-vous aujourd’hui?

Nous avons des demandes techniques, scientifiques, technologiques, sur nos produits, le développement de nos produits, leurs performances, et Mines ParisTech, via Armines, répond à nos attentes.

Nous travaillons ainsi ensemble dans un projet européen H2020. Enersens est le coordinateur principal de ce projet. Les chercheurs des Mines interviennent dans le consortium afin d’apporter des connaissances sur la modélisation des performances de nos produits et sur la mise en œuvre de nos produits, notamment sur un mur-test d’une cellule-test de bâtiment située à Sophia-Antipolis qui permet de mesurer de nombreux paramètres, tels que la température ou l’humidité relative et de qualifier le comportement dynamique d’un tel mur. Il s’agit en l’occurrence d’un mur structurel lourd associé à un complexe super-isolant à base d’aérogel de silice.

Ils interviennent aussi, depuis le début du projet, en caractérisant nos produits à l’échelle laboratoire, avec des analyses de microscopie, de performances thermiques, des analyses chimiques. Ils nous aident au développement de produits, en tant que support pour qualifier les performances de nos matériaux.

Tout ce qui touche aux procédés, aujourd’hui, est de notre domaine. Mais cela n’a pas toujours été le cas, et les compétences apportées par les chercheurs des Mines ont évolué au fil des années. Au tout début, ils se positionnaient comme un laboratoire de chimie et d’élaboration de matériaux spécifiques pour l’amélioration de l’efficacité énergétique: ce sont eux qui ont mis en œuvre les premières connaissances sur la chimie de la silice et la transition sol-gel développées à l’université de Lyon pour impulser, construire et piloter un programme de recherche orienté vers le développement de matériaux super-isolants thermiques. Au fur et à mesure de la collaboration, les connaissances et les compétences apportées ont évolué, en portant beaucoup plus sur la caractérisation des matériaux, la modélisation de leur comportement thermique et hydrique, jusqu’à l’étude de la performance thermique de bâtiments sous différents climats, ceci comprenant également l’analyse du confort d’ambiance, c’est-à-dire plus sur l’aval orienté vers l’application que sur l’amont. De façon symétrique, à mesure que PCAS puis Enersens intégraient les compétences de synthèse et de production, la demande était moins importante sur ces sujets-là, et elle se portait davantage sur la suite et l’accompagnement du développement du produit. Nous avons grandi ensemble, et les chercheurs des Mines ont su s’adapter à une demande industrielle qui évoluait.

Brice Fiorentino
Cher de projet innovation, Enersens