[Dossier Biosourcés #13] Des particules végétales en abondance et renouvelables !
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Répondre au défi de construire et/ou rénover des bâtiments avec des solutions d’isolation à faible impact environnemental telles que l’utilisation des matériaux de construction biosourcés, va nécessiter des quantités gigantesques de ressources végétales. Une seule agro-ressource ne pourra pas suffire pour répondre à la demande en matière végétale relative à l’ambition d’utiliser massivement des matériaux biosourcés. Il faudra conjuguer les différentes sources de gisements, disponibles sur nos territoires et n’entrant pas en concurrence avec l’alimentaire. Fort heureusement, ces sources sont nombreuses et potentiellement importantes. La surface agricole utilisée mondiale représente en effet, un tiers de la surface totale émergée. Cette proportion dépasse la moitié quand on considère le territoire français.
Les différentes sortes de particules végétales
La grande majorité des agro-ressources à potentiel pour l’élaboration de matériaux de construction biosourcés va provenir de cultures annuelles et plus précisément des tiges végétales de ces cultures. Les tiges végétales assurent à la plante des fonctions de soutien et de transports d’éléments nutritifs (contenus dans les sèves) entre les racines les feuilles. Elles sont composées de zones concentriques de différents tissus (cortex, xylème, phloème, moelle). Ces tissus sont extrêmement poreux et font donc des tiges végétales d’excellentes candidates pour réaliser des matériaux isolants. La figure n°1 illustre la porosité des agro-ressources en proposant une image prise au microscope électronique à balayage de la surface d’une particule de moelle de tournesol. Sa structure alvéolaire induit un réseau de porosité important.
Figure n°1 : Image MEB de la surface d’une particule de moelle de tournesol
Selon la variété considérée et le procédé de transformation de la tige, différents types de matières végétales ou particules végétales peuvent être obtenus.
Historiquement en France, les premières particules végétales identifiées pour la fabrication d’agrobétons sont les co-produits issus du défibrage des tiges de chanvre. L’objectif principal des cultures de chanvre et de lin textile est la production de fibres. Le défibrage des tiges de ces plantes produisent des co-produits provenant du bois de la tige. Ces co-produits, ou granulats végétaux, se nomment anas de lin pour la tige de lin et chènevottes pour la tige de chanvre.
D’autres ressources agricoles, telles que les cultures céréalières et oléagineuses, peuvent fournir des particules végétales comme co-produits. Selon la variété botanique de la plante, différentes sortes de particules végétales peuvent être obtenues suite au broyage de la tige.
Par exemple, les tiges de tournesol, colza et maïs contiennent de la moelle en leur centre, entourée d’écorce.
- Parfois, la séparation entre la moelle et l’écorce est spontanée, c’est le cas du tournesollorsque la tige est suffisamment sèche. Des co-valorisations des particules de moelle et des particules d’écorce sont alors envisageables, dès lors qu’un tri aura été effectué.
- Parfois, la séparation nécessite un procédé industriel, c’est le cas pour le maïs.
- Ou parfois, la séparation entre moelle et écorce est impossible, c’est le cas pour le colza - auquel cas, le broyage des tiges de colza ne génère qu’une seule sorte de particules végétales, c’est à dire des fragments de tiges.
Les pailles céréalières (blé, orge, avoine, seigle) ont le potentiel d’être génératrices de particules végétales. Ces dernières sont obtenues lors des moissons et sont donc des co-produits des cultures céréalières. Le broyage de ces pailles permet l'obtention de fragments de tige.
Aujourd’hui la majorité des pailles de ces grandes cultures restent au champ. Elles sont enfouies et participent à l’entretien des sols. Elles ont deux rôles importants en agronomie : 1- elles sont source de matière organique pour les sols permettant l’apport d'éléments minéraux aux futures cultures; 2- elles participent à la structure et la stabilité des sols.
Le cas de la paille de blé est un peu différent. Seul un tiers de la production française reste au champ et est enfoui. Le reste trouve des valorisations dans l’alimentation animale, le paillage, les matériaux de construction (bottes de paille, torchis) et la bioénergie [1, 2].
D’autres cultures, à fort potentiel et également présentes sur le sol français, sont à recenser:
Le miscanthus ou herbe à éléphant, a la capacité de produire de la biomasse de façon intense et rapide (15 à 20 t/ha/an). Contrairement aux autres agro-ressources citées précédemment, les particules de miscanthus ne sont pas des co-produits de l’agro-industrie puisque le miscanthus a été implanté pour produire de la biomasse en vue d’une valorisation en bioénergie. Le broyage de la tige de miscanthus produit, à ce jour, un seul type de particules végétales.
Le roseau est également une culture très intéressante pour l’utilisation de particules végétales dans la construction car le rendement en biomasse est élevé (environ 30t/ha/an [3]). Sa production est spontanée dans toutes zones humides mais est très peu récoltée aujourd’hui. Les particules végétales proviennent du broyage des tiges.
La production de riz génère deux co-produits intéressants : les tiges qui, par broyage, engendreront des particules et les balles (enveloppes protectrices des grains de riz), qui sont issues du décorticage des grains. D’autres cultures telles que le petit épeautre, le grand épeautre, le sarrasin et l’avoine offrent des balles [4].
La figure n°2 propose des photographies de plusieurs sortes de particules végétales.
Figure n°2 : Photographies de particules végétales
Répartition géographique et période de récolte de ces cultures
Les cultures du chanvre et du miscanthus proposent des surfaces limitées mais elles ont le potentiel d’être implantées sur tout le territoire. C’est déjà le cas pour les cultures de maïs et des céréales qui couvrent pratiquement tout le territoire français, avec des répartitions plus ou moins homogènes selon les régions. Les autres cultures considérées ont des territoires précis. Le lin textile est par exemple cultivé seulement où les conditions pour le rouissage sont réunies, c’est à dire principalement en Normandie et dans les Hauts de France. La carte n°1 relate les zones géographiques de quatre cultures aux territoires bien distincts.
Carte n°1 : Répartition territoriale de quatre cultures françaises
Une complémentarité de ces zones est remarquable et laisse apercevoir que l’ensemble du territoire français peut être couvert pour les gisements de particules végétales provenant des différentes cultures. La valorisation locale des particules peut ainsi être envisagée, ce qui permettrait de limiter l’empreinte carbone liée au transport de ces matières légères et volumineuses.
La plupart des cultures considérées sont des cultures annuelles, c’est à dire que la récolte se réalise une fois par an, à un moment précis de l’année. Le chanvre est par exemple disponible en France à partir du mois d’octobre, le colza au mois de juillet, le miscanthus au début du printemps. Le tableau n°1 met en évidence les périodes de récolte des principales cultures françaises pouvant générer de la biomasse pour la construction.
Tableau n°1 : Période de récolte des cultures annuelles françaises pouvant générer des particules végétales pour la construction.
Il apparaît que la diversité des cultures et donc les différentes périodes de récolte associées permettent une complémentarité temporelle assurant une disponibilité de matière végétale tout au long de l’année. Elle permet d’éviter des contraintes liées à des stocks longs.
Estimation du gisement des particules végétales
La capacité à produire des particules d’une culture est dépendante de la surface d’implantation et du rendement en particules végétales. Le tableau n°2 recense les principales sources de particules végétales sur le territoire français ainsi que les informations relatives à leurs superficie, rendement en biomasse par ha, zone géographique, période de récolte et les types de particules végétales pouvant être générées. Le gisement en particules végétales (en tonnes) provenant d’une culture peut être calculé par le produit de la surface cultivée (en hectare) et du rendement en tiges (en tonnes/hectare).
Tableau n°2 : Synthèse des informations relatives aux cultures françaises pouvant produire des particules végétales destinées aux matériaux biosourcés pour la construction
Ainsi le total des différents gisements annuels recensés ici sur le territoire français peut être estimé à potentiellement plus de 15 millions de tonnes de particules végétales intéressantes pour la construction. Ce chiffre comprend les particules ayant déjà des voies de valorisation, telles que le paillage horticole, la litière animale, la bioénergie. De plus, concernant les tiges non récoltées aujourd’hui (tournesol, colza, maïs, une partie des céréales), il est nécessaire aussi de prendre en compte le besoin agronomique du sol et donc de prévoir d’y laisser de la biomasse. ll semble que laisser la moitié permettrait de s’affranchir des dangers agronomiques [2]. Malgré tout, le gisement annuel est tellement gigantesque que toutes les voies de valorisation utilisant des particules végétales pourront être fournies sans crainte de concurrence.
La plupart des agro-ressources précédemment citées à l’échelle du territoire français sont également cultivées à l’échelle européenne voire mondiale. Le calcul du gisement mondial des particules végétales issues de ces cultures annuelles pourrait être dupliqué. Il permettrait de répondre aux attentes mondiales du secteur de la construction en matière d’approvisionnement des matières premières renouvelables, entrant dans la composition des matériaux de construction biosourcés. Le territoire mondial regorge également d’autres agro-ressources identifiées comme gisements potentiels de granulats végétaux pour la construction telles que le bambou, la bagasse, le typha [7].
“Gisement” ne signifie pas “disponibilité”
Le gisement total des particules végétales sur le territoire français est très élevé mais ne reflète pas la quantité de granulats végétaux réellement disponibles. Il faut en effet bien différencier les notions de “gisement” et de “disponibilité”. L'approvisionnement en matière végétale est réalisé grâce à une filière structurant les étapes de production, transformation et distribution de cette matière. En France, certaines cultures ont l’avantage d’avoir une filière bien structurée - c’est le cas pour le lin textile et le chanvre; d’autres sont en cours de déploiement (miscanthus); en émergence (riz); en cours d’analyse économique (tournesol, maïs, colza). Les filières sont compliquées à monter : Les acteurs sont nombreux, de différents secteurs d’activités et l’équilibre économique sur les matériaux destinés au bâtiment est très restreint.
La culture de chanvre en France a la particularité de proposer deux types de filières :
- une filière industrielle nécessitant un investissement important dans son outil de transformation et des années de structuration et offrant un rayon d’actions important.
- une autre filière basée sur le développement de micro-filières locales de production de chanvre fermier pour l’éco-construction. Cette dernière a l’avantage d’utiliser seulement des outils agricoles communs réduisant l’investissement et ainsi d’avoir une bonne opérationnalité et donc une rapidité à mettre les produits sur le marché.
Les matières végétales répondant au besoin d’approvisionnement de particules végétales (ou granulats végétaux) pour le secteur des matériaux biosourcés de construction ont des grands atouts. La diversité de leurs cultures offre un gisement très important avec une totale couverture du territoire et un échelonnement de l'approvisionnement. Les particules végétales sont aussi de nature très diverse (moelle, écorce, fragment de tige, balle). La diversité provient également de la localisation de la culture à l’échelle mondiale, de la variété botanique cultivée ainsi que des conditions de croissance de la plante et de la transformation du végétal. Chaque type de particules végétales, issu du lin, chanvre, colza, miscanthus ou tournesol par exemple présente en effet des caractéristiques intrinsèques en termes de composition biochimique, masse volumique, morphologie, porosité, comportement vis à vis de l’eau…[8-9]. Les principales sources de variabilité des caractéristiques intrinsèques de chaque type de particules végétales doivent être bien connues afin de comprendre leurs potentielles répercussions sur les performances recherchées des particules végétales puis sur les performances des matériaux incorporant ces particules végétales. Ces études ont pour finalité de permettre aux particules végétales de répondre correctement aux besoins du secteur des matériaux biosourcés de construction.
[1] La paille : concurrences et complémentarités des usages du gisement agricole en Ile-de-France. Mai 2018. Etude réalisée par ARENE, IAU et région Ile-de-France
[2] Paille de céréale. Fiche n°1 Coproduits riches en ligno-cellulose. Etude réalisée par ADEME
[3] Le Bartz C., Michas M., Fouque C. Les roselières en France métropolitaine premier inventaire (1998-2008). 2009. Faune Sauvage 283.
[4] site internet ballederiz.fr
[5] site internet de l’Organisation des Nations Unies pour l’alimentation et l’agriculture fao.org
[6] Yongzhong F., Xiaoling Z., Yan G., Gaihe Y., Jianchao X., Guangxin Ren. Energy Potentiality of Crops Straw Resources in Yunnan. Hindawi Publishing Corporation Journal of Biomedicine and Biotechnology Volume 2012, Article ID 325426, 7 pages doi:10.1155/2012/325426
[7] Construire des filières locales de matériaux de construction : un défi autant social qu’économique. Bernard Boyeux. 2019. Construction 21 France
[8] Chabriac P.A., Gourdon E. Glé P., Fabbri A., Lenormand H.. Agricultural by-products for building construction and modeling to predict micro-structural parameters. 2016. Construction and building materials. 112, 158-167. http://dx.doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.02.162
[9] Lenormand H., Leblanc N. - IBIS project -Characterization of new vegetal particles for biosourced insulation mortars. Communication à 1st International Conference on Bio-based Building Materials. Juin 2015.
Un article signé Hélène Lenormand, enseignant-chercheur dans l’unité de recherche EA 7519 « Tranformations & Agroressources » et Nathalie Leblanc, directrice adjointe de l’unité de recherche EA 7519 « Tranformations & Agroressources » de UniLaSalle
Crédit photo : Ricardo Gomez Angel via Unsplash
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