Les principaux usages de la biomasse de miscanthus
Les tiges sont récoltées sèches, en fin d’hiver ou au début du printemps. On obtient une biomasse fibreuse et pauvre en cendres, qui se prête à plusieurs usages :
Biocombustible solide
La biomasse est densifiée en granulés et en briquettes, utilisés pour le chauffage et la combustion.
Litière animale
Le miscanthus sert de litière absorbante et peu poussiéreuse pour le bétail et les chevaux.
Biogaz
Le miscanthus est utilisé comme substrat de méthanisation.
Pâte et fibres
Les fibres servent à fabriquer du papier, du carton, des emballages et des biocomposites.
Le débouché le plus rentable varie selon la demande locale, les coûts de transport, les possibilités de transformation et la taille de la plantation. Pour le chauffage, nous comparons le coût de la chaleur tirée des balles à celui du gaz, du fioul et des granulés dans notre article sur le miscanthus comme combustible. Un marché plus récent se développe à l’échelle industrielle, celui du carburant d’aviation. Le droit européen impose désormais d’incorporer une part minimale de carburant d’aviation durable au kérosène distribué dans les aéroports de l’UE. Les huiles usagées ne peuvent couvrir qu’une petite partie de cette demande. Le reste devra provenir de la biomasse cellulosique non alimentaire et des carburants de synthèse produits à partir d’hydrogène et de CO₂ capté. Nous présentons ce marché plus en détail dans l’article « Kérosène à partir de miscanthus ».
Climat et rusticité
Où pousse le miscanthus et comment il passe l’hiver
Le clone « Illinois » peut s’implanter et donner une récolte sur des sites européens très variés, du sud du continent jusqu’aux régions plus fraîches d’Europe centrale et d’Europe du Nord. Hors d’Europe, il pousse sous le climat plus froid et plus continental du Midwest américain, où l’université de l’Illinois l’étudie depuis 2002. Cette tolérance au froid s’explique notamment par sa photosynthèse, qui se poursuit à des températures plus basses que chez beaucoup d’autres plantes en C4.
Le miscanthus est une culture pérenne rustique. Les tiges meurent pendant l’hiver et sont récoltées sèches. La plante survit sous forme de rhizomes dormants et repart au printemps. Une fois installée, une plantation supporte les hivers froids, car le sol, la neige et la couche de feuilles mortes isolent les rhizomes. Ceux-ci meurent si la température du sol qui les entoure descend de quelques degrés sous zéro. Le risque est le plus élevé pendant le premier hiver qui suit la plantation.
Le miscanthus peut également bien se développer sur des terres marginales, moins adaptées aux cultures alimentaires, par exemple des sols légers, caillouteux ou peu productifs. Un agriculteur peut donc lui réserver ses parcelles les plus pauvres et garder les meilleures pour la rotation des cultures. Les caractéristiques de la parcelle restent néanmoins importantes, car les rendements sont plus faibles sur les sols engorgés ou superficiels. Dans notre article sur les terres marginales et les sols pollués, nous décrivons plus en détail la plantation sur ce type de terrain.
Le choix de la parcelle et l’implantation sont détaillés dans le guide « Planter et cultiver le miscanthus ».
Biosécurité
La stérilité et le risque de dissémination
Le miscanthus est originaire d’Asie. Avant de le planter à grande échelle en Europe, il faut donc savoir s’il peut s’échapper des cultures et devenir envahissant. Pour Miscanthus × giganteus « Illinois », la réponse dépend surtout de sa stérilité.
Le clone « Illinois » est un triploïde stérile. Il possède trois jeux de chromosomes et ne produit aucune graine viable. Les graminées se répandent hors des champs surtout par leurs graines, emportées par le vent ou tombées au sol, jusque dans les fossés, les haies, les bords de route et les terres voisines. Le clone ne peut pas se disséminer de cette façon. Sa stérilité est l’une des principales raisons de le cultiver pour la biomasse, car il donne des rendements élevés sans le risque de dissémination par graines que présentent les miscanthus fertiles.
Le clone peut néanmoins s’étendre par ses rhizomes. Une plantation s’élargit lentement sur ses bords, où cette extension se voit facilement. On peut la contenir en coupant net la bordure, en travaillant le sol sur une bande ou en fauchant la tournière. L’entretien des bordures n’empêche pas la dissémination par l’eau, car les crues et l’érosion peuvent emporter des fragments de rhizome vers l’aval. Il faut donc éviter de planter sur les berges des cours d’eau et sur les bords de fossés inondables.
Ces questions concernent les propriétaires fonciers, les acheteurs et les autorités autant que les producteurs. Une plantation de biomasse reste en place pendant de nombreuses années, souvent sur de grandes surfaces. La conformité réglementaire, la traçabilité et le confinement biologique entrent donc en ligne de compte dans l’évaluation commerciale du projet. Comme le clone est cultivé à partir de rhizomes, la réussite de l’implantation et le rendement de chaque hectare dépendent de la qualité du matériel de plantation.
Le genre Miscanthus
Les deux espèces parentes et leur hybride stérile
Le nom « miscanthus » est souvent employé comme s’il désignait une seule culture, alors qu’il recouvre plusieurs graminées asiatiques apparentées, qui présentent au champ des caractéristiques très différentes. Pour une plantation commerciale de biomasse, le critère le plus important est le génotype. Il faut savoir si la plante est fertile, comment elle se propage et si l’origine de son matériel de plantation peut être retracée.
Les deux espèces parentes, Miscanthus sinensis et Miscanthus sacchariflorus, sont fertiles et peuvent produire des graines viables. Leur hybride, le clone « Illinois », est le triploïde stérile à haut rendement décrit plus haut.
M. sinensis
Cette espèce est surtout connue comme graminée ornementale. Elle est fertile, produit des graines viables et peut se répandre hors des lieux de plantation lorsque les conditions s’y prêtent.
M. sacchariflorus
Cette espèce vigoureuse pousse dans des milieux plutôt humides. Elle est fertile, produit des graines viables et s’étend aussi fortement par ses rhizomes. C’est pourquoi, dans certaines parties de l’Europe, elle est considérée comme potentiellement envahissante et traitée avec prudence.
Provenance
Origine de notre matériel de plantation : les générations G0 à G2
Dans l’UE, les plantations commerciales de miscanthus sont généralement implantées avec le Miscanthus × giganteus triploïde stérile. Pour ce même génotype, la qualité des rhizomes varie cependant beaucoup d’un fournisseur à l’autre. Cette qualité est l’un des principaux facteurs de réussite de l’implantation, et l’acheteur peut la vérifier avant de planter.
Notre matériel est issu de plants G0, produits en laboratoire, soumis à un dépistage des agents pathogènes et dont l’identité génétique a été vérifiée. Nous le multiplions ensuite au champ pendant deux générations, G1 et G2, et retirons de la multiplication tout matériel au-delà de la génération G2.
Une chaîne de multiplication courte permet de garder une plantation génétiquement homogène, un matériel traçable et des plantes saines. Elle réduit aussi le risque que des agents pathogènes s’accumulent ou que du matériel d’une autre origine se mélange au lot, ce qui peut arriver quand une lignée est multipliée indéfiniment.
Choix du génotype
Dans le tableau ci-dessous, nous comparons le clone « Illinois » aux lignées de miscanthus issues de semences et aux miscanthus de type M. sinensis, selon les principaux critères à prendre en compte pour choisir le matériel de plantation.
Pour les plantations commerciales de biomasse dans l’UE, les lignées de miscanthus issues de semences ne devraient pas être présentées comme pouvant remplacer directement le clone « Illinois ». Ces lignées sont fertiles et produisent des graines, ce qui pose des questions particulières de réglementation et de biosécurité. Outre le rendement et le coût d’implantation, le producteur doit savoir si ce matériel est enregistré, autorisé et acceptable pour une plantation commerciale en plein champ.
Le clone « Illinois » reste la référence pour la production commerciale de biomasse, parce qu’il est stérile, qu’on dispose d’un long recul sur sa culture au champ et qu’il se plante à partir de rhizomes traçables.
Histoire et origine
Origine du clone et travaux de recherche en Europe et aux États-Unis
L’origine du Miscanthus × giganteus commercial est particulièrement bien documentée. Presque toutes les lignées commerciales remontent à un hybride stérile que le pépiniériste danois Aksel Olsen a rapporté du Japon au Danemark en 1935. La plante a ensuite été identifiée comme Miscanthus × giganteus, un croisement entre Miscanthus sinensis et Miscanthus sacchariflorus.
Comme M. × giganteus ne produit pas de graines viables, on le multiplie par division des rhizomes. La culture commerciale repose donc presque entièrement sur un génotype clonal unique et connu.
Introduction depuis le Japon
Le pépiniériste Aksel Olsen rapporte au Danemark l’hybride stérile d’origine.
Identification de l’hybride M. × giganteus
La plante est identifiée comme un hybride triploïde stérile issu de M. sinensis et de M. sacchariflorus. Elle est diffusée dans les collections botaniques et de recherche en Europe.
Essais au champ en Europe pour la production de biomasse
Des chercheurs européens font passer la plante des collections botaniques aux essais au champ. Les programmes Miscanthus Productivity Network (MPN) et European Miscanthus Improvement (EMI), entre autres, étudient l’implantation, le rendement, la qualité de la biomasse, les usages et les ressources génétiques sur des sites aux conditions contrastées, dans toute l’Europe.
Loi américaine sur la biomasse et première Billion-Ton Study
Le Biomass Research and Development Act de 2000 crée le cadre fédéral de travaux coordonnés sur la biomasse, la bioénergie et les bioproduits. Ces travaux sont menés conjointement par l’USDA et le DOE, les départements américains de l’Agriculture et de l’Énergie. En 2005, le DOE et l’USDA publient la première Billion-Ton Study, qui examine si les États-Unis pourraient fournir durablement plus d’un milliard de tonnes de biomasse sèche par an. Les graminées pérennes à haut rendement, comme le miscanthus, commencent alors à être prises en compte dans le débat national sur les matières premières.
Études de faisabilité dans l’Illinois
Des chercheurs de l’université de l’Illinois vérifient si M. × giganteus peut pousser dans l’Illinois, produire davantage que le panic érigé et atteindre au champ le potentiel de rendement prévu par les modèles.
Recherches au champ dans l’Illinois et origine du nom « Illinois »
Des chercheurs de l’université de l’Illinois lancent des essais au champ de longue durée sur M. × giganteus comme matière première de biomasse. Le nom commercial du clone, « Illinois », vient de ces travaux nord-américains. Pour ce clone d’origine européenne, on dispose ainsi de près de trois décennies de recherches américaines au champ et en bioénergie.
D’importants financements américains pour la recherche en bioénergie
Aux États-Unis, les travaux sur la bioénergie passent de la modélisation à la recherche à grande échelle. Le DOE finance de nouveaux Bioenergy Research Centers. BP s’engage à verser 500 millions de dollars au nouvel Energy Biosciences Institute, dont l’université de l’Illinois est l’un des principaux partenaires. Le miscanthus figure parmi les matières premières pérennes testées pour les carburants cellulosiques et les produits biosourcés.
Une étude de rendement menée dans l’Illinois
Emily Heaton, Frank Dohleman et Stephen Long publient « Meeting US biofuel goals with less land: The potential of Miscanthus ». Ils y montrent que M. × giganteus pourrait donner des rendements élevés en biomasse sur moins de terres que les cultures annuelles classiques. L’article fait largement connaître cette culture auprès des chercheurs américains en bioénergie.
Mises à jour des études Billion-Ton et travaux européens sur les génotypes
Le Billion-Ton Update américain et le Billion-Ton Report de 2016 affinent le modèle national d’approvisionnement en biomasse et rangent le miscanthus parmi les cultures énergétiques herbacées dédiées. En Europe, le projet OPTIMISC compare de nouveaux génotypes de miscanthus au clone standard de M. × giganteus sous des climats et sur des sols très variés. Ses résultats complètent les connaissances sur le choix du génotype, les terres marginales, la date de récolte, la qualité de la biomasse et son adéquation aux différents usages.
CABBI, GRACE et les filières biosourcées
Le département américain de l’Énergie crée le CABBI (Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation), basé dans l’Illinois. Ses travaux sur le miscanthus portent sur la génétique, les matières premières avancées, la conversion et les bioproduits. En Europe, le projet GRACE fait la démonstration d’une production à grande échelle de miscanthus et de chanvre sur des terres peu productives, polluées ou inutilisées, et la relie à des filières industrielles.
En résumé, le clone « Illinois » a une origine connue et figure dans les études américaines du milliard de tonnes. On dispose à son sujet de dizaines d’années de données de terrain en Europe et de près de trois décennies de recherche à l’université de l’Illinois. Pour un acheteur qui consacre des terres à une plantation de biomasse pendant 15 à 20 ans, cela signifie que les rendements publiés ont été mesurés sur la plante qu’il va cultiver, à condition que ses rhizomes puissent être rattachés à ce clone.
Questions fréquentes
Sources
- Heaton, E. A., Dohleman, F. G. & Long, S. P. (2008). Meeting US biofuel goals with less land: the potential of Miscanthus. Global Change Biology, 14(9).
- Hodkinson, T. R. & Renvoize, S. (2001). Nomenclature of Miscanthus × giganteus (Poaceae). Kew Bulletin, 56(3).
- U.S. Department of Energy (2016). 2016 Billion-Ton Report. DOE EERE.
- Règlement (UE) 2016/2031 relatif aux mesures de protection contre les organismes nuisibles aux végétaux. EUR-Lex.
