Les graminées en C4 : l'avenir de la bioénergie

Dans la quête de solutions énergétiques durables, la biomasse non ligneuse, telle que les graminées pérennes en C4 ou les graminées de saison chaude, suscite un intérêt croissant. Ces graminées sont non seulement résistantes et hautement productives, mais elles utilisent également l'eau et les nutriments de manière efficace, ce qui en fait des candidates idéales pour la production de granulés.

Plusieurs études ont analysé les graminées pérennes en C4 pour la biocarburants solides production, soulignant leur potentiel à stimuler une industrie mondiale de la bioénergie. Cet article examine le besoin de nouvelles sources de granulés, les caractéristiques des cultures de graminées en C4, et pourquoi elles constituent le meilleur choix pour produire des granulés de manière durable et à grande échelle.

Pourquoi avons-nous besoin de granulés combustibles à base de graminées en C4

La demande en granulés a considérablement augmenté ces dernières années, portée par la transition mondiale vers les énergies renouvelables pour remplacer les combustibles fossiles. En 2022, la demande mondiale de granulés de bois a atteint 46,2 millions de tonnes, dépassant la capacité de production. L' UE représente un peu plus de la moitié de la consommation mondiale de granulés, tandis qu'en Asie, la demande de granulés pour la production d'électricité a augmenté de près de 40 % d'une année sur l'autre.

Cette demande accrue souligne l'urgence d'augmenter la production. L'essor des biocarburants pourrait provenir du secteur agricole grâce à une utilisation accrue des résidus de culture et de cultures énergétiques dédiées comme sources de combustible.

Dans ce contexte, les graminées en C4 s'imposent comme la meilleure option en raison de leur rendement élevé et de leur capacité à diversifier les matières premières pour une production durable de granulés à grande échelle.

Parmi les nombreuses espèces de graminées en C4, trois se distinguent par des attributs qui en font d'excellentes matières premières pour les applications bioénergétiques : l'herbe à éléphant, le panic érigé et le miscanthus.

Graminées pérennes en C4 prometteuses pour la production de granulés

Herbe à éléphant (Pennisetum purpureum)

‍L'herbe à éléphant est une culture hautement productive, reconnue pour son tallage vigoureux, sa grande surface foliaire, son taux de photosynthèse élevé et sa canopée imposante (Ito et Inaga, 1988 ; Matsuda et al., 1991). Cette graminée peut prospérer dans une large gamme de conditions pédoclimatiques, allant des sols acides à faible fertilité aux sols légèrement alcalins (Hanna et al., 2016).

Les études montrent que l'herbe à éléphant produit un rendement élevé en biomasse, soit environ 100 barils équivalent pétrole par hectare (bep/ha), et peut être récoltée chaque trimestre, jusqu'à quatre fois par an (Nimmanterdwong et al., 2017 ; Mohammed et al., 2015).

Elle pousse facilement dans les conditions tropicales et peut atteindre des hauteurs comprises entre 4 et 7,5 mètres, avec un système racinaire étendu pouvant pénétrer jusqu'à 4,5 mètres. Cela lui confère une grande tolérance à la sécheresse et une longue durée de vie pouvant aller jusqu'à 7 ans (Cook et al., 2005 ; Primavera, Rollon & Samson, 2012).

L'herbe à éléphant maintient également un taux de photosynthèse élevé et peut utiliser efficacement le rayonnement sur de longues périodes (Ito & Inaga 1988). C'est l'une des meilleures alternatives pour la conversion de la biomasse en combustible solide à des fins industrielles en raison de son pouvoir calorifique élevé, atteignant en moyenne 16 MJ/kg (Treedet et al., 2020).

Panic érigé (Panicum virgatum)

‍Le panic érigé, une grande graminée originaire des prairies (Samson et al., 2005), a été identifié comme une espèce prometteuse pour la production de granulés. En tant que graminée C4 de saison chaude, elle est capable de générer de grandes quantités de biomasse, même dans des environnements aux ressources limitées (Escobar et al., 2017). Grâce à sa grande adaptabilité à différents sols et climats, le panic érigé peut potentiellement être cultivé dans des régions froides comme chaudes, même dans des conditions semi-arides (Escobar et al., 2017).

Avec un potentiel de rendement en biomasse de 10 à 20 tonnes de matière sèche (TMS) par hectare et par an (Samson et al., 2005), le panic érigé peut être récolté une fois par an, généralement à la fin de l'été ou au début de l'automne. Les meilleures conditions de croissance pour le panic érigé incluent un plein ensoleillement et des précipitations modérées à élevées, qui contribuent à maximiser sa croissance et sa production de biomasse.

Le panic érigé peut atteindre des hauteurs de 1,5 à 2,5 mètres, soutenu par un système racinaire profond et étendu qui améliore sa tolérance à la sécheresse et ses propriétés de stabilisation des sols (Matin et al., 2023). Ce système racinaire profond permet à la plante d'accéder à l'eau et aux nutriments des couches de sol plus profondes, contribuant à l'accumulation de matière organique dans le sol et donc à la séquestration du carbone (Liebig et al., 2005 ; Ma, Wood & Bransby, 2000 ; Giannoulis et al., 2026).

Avec une durée de vie pouvant atteindre 10 ans (Fike et al., 2006), le panic érigé est une option de matière première durable et à long terme pour la production de granulés. Son taux de photosynthèse élevé et son utilisation efficace des nutriments renforcent son potentiel en tant que source de bioénergie fiable et efficace.

Miscanthus (Miscanthus x giganteus)

Les chercheurs ont identifié le Miscanthus comme une graminée vivace polyvalente adaptée à la production de bioénergie (Arnoult & Brancourt-Hulmel, 2015). Cette graminée vivace rhizomateuse en C4, originaire d'Asie de l'Est, a été introduite en Europe au début du XXe siècle (Greef & Deuter, 1993). Actuellement, elle figure parmi les principales cultures de biomasse vivaces cultivées en Europe (Don et al., 2012). Le Miscanthus prospère dans les climats tempérés et s'adapte à divers types de sols, y compris les sols marginaux (Coffin et al., 2015), bien qu'il préfère les sols fertiles et bien drainés (Winkler, 2020).

Le Miscanthus démontre un potentiel de rendement remarquable, produisant entre 10 et 20 tonnes de matière sèche (TMS) par hectare et par an (Samson et al., 2005). Les agriculteurs le récoltent généralement une fois par an, à la fin de l'hiver ou au début du printemps, lorsqu'il brunit. Une récolte « brune » après l'hiver fournit une biomasse de Miscanthus lignifiée avec une faible teneur en humidité et en nutriments (Winkler, 2020).

Le Miscanthus peut atteindre des hauteurs allant jusqu'à 4 mètres. Son système racinaire profond et étendu améliore sa tolérance à la sécheresse et lui permet d'accéder aux nutriments des couches de sol plus profondes. Ce système racinaire peut pénétrer jusqu'à 3 mètres (Christensen et al., 2015), contribuant à la longévité et à la résilience de la plante, avec une durée de vie pouvant atteindre 20 ans (Witzel & Finger, 2016).

Le Miscanthus bénéficie d'un taux de photosynthèse élevé, qui favorise sa croissance rapide et son rendement élevé, ce qui en fait une matière première fiable et efficace pour les granulés de bioénergie.

Pourquoi les graminées C4 sont les meilleures cultures pour la production de granulés

Rendement élevé : L'un des avantages les plus significatifs des graminées vivaces en C4 est leur rendement élevé en biomasse. Dans les zones tempérées, le panic érigé et le Miscanthus peuvent produire des rendements de biomasse de 10 à 20 tonnes de matière sèche (TMS) par hectare et par an. Dans les zones tropicales, l'herbe à éléphant produit de 25 à 35 TMS par hectare et par an (Samson, et al., 2005). Ce rendement élevé fournit davantage de matières premières pour la production de bioénergie, faisant de ces cultures une source de bioénergie plus efficace.

Photosynthèse efficace : Les graminées en C4 utilisent la voie photosynthétique en C4, qui est plus efficace que la voie en C3 utilisée par la plupart des autres plantes. Cette efficacité est due à la capacité des plantes en C4 à minimiser la photorespiration, un processus énergivore qui se produit chez les plantes en C3, en particulier dans des conditions de forte luminosité et de température élevée. En conséquence, les graminées en C4 peuvent maintenir des taux de photosynthèse plus élevés, ce qui conduit à une plus grande production de biomasse (Mullet, 2017).

Efficacité de l'utilisation de l'eau et des nutriments : Les graminées pérennes en C4 présentent une efficacité remarquable dans l'utilisation de l'eau et des nutriments (Mullet, 2017). Elles possèdent des systèmes racinaires profonds qui leur permettent d'accéder à l'eau et aux nutriments dans les couches plus profondes du sol, ce qui les rend plus résistantes à la sécheresse que de nombreuses autres cultures. De plus, leur mécanisme photosynthétique efficace leur permet d'utiliser les nutriments plus efficacement, réduisant ainsi le besoin en engrais.

Séquestration du carbone : Ces graminées jouent également un rôle essentiel dans la séquestration du carbone. Leurs systèmes racinaires profonds aident non seulement à stabiliser le sol, mais aussi à stocker le carbone sous terre (Bresciano et al., 2018). Cette caractéristique est particulièrement bénéfique pour atténuer le changement climatique, car elle réduit la quantité de dioxyde de carbone dans l'atmosphère.

Utilisation efficace des terres agricoles marginales : La culture de graminées de saison chaude est la stratégie la plus efficace pour exploiter les terres agricoles marginales qui ne conviennent pas aux cultures vivrières dans la plupart des climats tempérés et tropicaux. Des études antérieures sur les graminées de saison chaude indiquent que les graminées en C4 ont un impact significatif sur la restauration des niveaux de matière organique dans les sols dégradés (Liebig et al., 2005).

Bilan énergétique optimal : Les graminées pérennes en C4 offrent un excellent bilan énergétique. Elles fournissent un rendement énergétique élevé par rapport à l'énergie nécessaire à leur culture et à leur transformation (Samson et al., 2005).

Polyvalence des applications énergétiques : Ces granulés de combustible à base de graminées en C4 répondent à un large éventail d'applications énergétiques, notamment le chauffage résidentiel et la production d'électricité à grande échelle. Ils constituent un excellent choix pour les besoins énergétiques domestiques et industriels.

Conclusion

Les graminées pérennes en C4, grâce à leur rendement élevé, leur photosynthèse efficace et leur utilisation supérieure de l'eau et des nutriments, sont très prometteuses pour le développement d'une industrie mondiale de la bioénergie. Leurs avantages environnementaux, combinés aux progrès réalisés dans la qualité de la biomasse et les technologies de combustion, en font le meilleur choix pour la production de granulés. Alors que le monde s'oriente vers des solutions énergétiques durables, ces graminées jouent un rôle crucial pour répondre aux besoins énergétiques mondiaux tout en protégeant l'environnement.

En résumé, l'avenir de la bioénergie réside dans l'exploitation du potentiel des graminées pérennes en C4, en les transformant en une source de combustible mondiale majeure qui soit à la fois économiquement viable et respectueuse de l'environnement.

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Référence

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