La culture du panic érigé aux Etats-Unis, un potentiel pour la production de biocarburant

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Le Panicum virgatum (panic érigé en français, « switchgrass » en anglais), plante vivace rhizomateuse très rustique, est cultivé et étudié depuis plus de 70 ans aux Etats-Unis en tant que plante fourragère. La culture s’effectue principalement dans les régions des grandes plaines, du Midwest, du Sud et du Sud Est.

Dès 1936, le Service de Recherche Agricole du Ministère de l’Agriculture (USDA-ARS) situé à Lincoln au Nebraska, a effectué des travaux sur la technique de culture, de stockage et de conservation du . C’est à partir de 1987 que des universités telles que Auburn, Virginia Tech et Texas A&M, commencent à s’intéresser à la production de bioénergies à partir de cette plante.

De nombreuses études ont montré depuis que le pouvait se révéler être une bonne source d’énergie renouvelable grâce à plusieurs avantages qui sont désormais bien connus :

  • Le panic érigé peut être cultivé dans tous les types de sols, y compris sur les terres marginales ; la hauteur maximale, atteinte dès la deuxième année de production,est comprise entre 90 et 300 cm, permettant un rendement important de biomasse ; la production peut être continue pendant près de 10 ans sans nécessiter de nouvelles semences ;
  • Le panic érigé est une plante qui protège l’environnement dans le sens où elle permet de préserver les sols de l’érosion, limiter l’évaporation de l’eau et favoriser le stockage du carbone ;

Fauche de panic érigé, photo Champs d'énergie

Dans le contexte économique et énergétique actuel, le panic érigé est susceptible de fournir aux agriculteurs un revenu supplémentaire du fait des caractéristiques de sa culture telles que son besoin limité en eau et en nutriments, une utilisation des terres marginales, une semis tous les 10 ans, …

Le gouvernement fédéral américain prévoit d’augmenter la production de biocarburant d’ici 2022 pour atteindre près de 136 milliards de litres annuellement (80 milliards de litres de biocarburants sont prévus pour l’année 2012). Le Ministère de l’énergie (DOE) coordonne plusieurs programmes pour atteindre cet objectif, dont le programme de développement des ressources en bioénergie (« U.S. DOE Bioenergy Feedstock Development Program »). Ce projet est destiné à la recherche et à l’optimisation de nouvelles matières premières en vue de la production de bioénergie. Afin d’évaluer et de comparer les différentes sources potentielles de biocarburants, le DOE a retenu comme plante modèle le panic érigé compte tenu de ses caractéristiques. Parmi ces dernières:

  • rendement de culture élevé par rapport à d’autres espèces quel que soit le type de terres agricoles,
  • faible besoin en intrants agricoles,
  • facilité de croissance de la plante à partir de graines,
  • existence d’une industrie semencière.

Panic érigé en balles, photo Frédéric Douard

Les principaux travaux de recherche liés à l’optimisation de la production de biocarburants à partir du panic érigé concernaient autant la culture de cette plante que sa transformation en biocarburant. Ci-après, nous signalons plusieurs travaux quant à l’économie de la transformation du panic érigé en biocarburant.

De la production à la transformation en biocarburant

Une étude, réalisée en juillet 2012 par l’université de l’Illinois fait, dans un premier temps, la synthèse de deux publications précédentes qui nous donnent des projections chiffrées sur l’économie de la production de biocarburants à partir du puis, dans un second temps, actualise les données avec la prise en compte des changements d’usage des sols et de l’augmentation du prix de la terre observés depuis.

La première étude a été réalisée par Mitchell et al. en 2008. Elle est intitulée « La gestion de la production et de l’optimisation du panic érigé comme matière première bioénergétique » (« Managing and enhancing switchgrass as a bioenergy feedstock »). En prenant pour exemple un objectif de production de 50 millions de gallons de biocarburant par an (près de 190 millions de litres), les calculs montrent que l’approvisionnement nécessaire en serait de 625.000 tonnes, soit près de 1,4 km² de champs de culture. Compte-tenu des contraintes liées à la manipulation de ces volumes importants et à leur transport, les entreprises de transformation devraient, dans l’idéal, se situer dans un périmètre de 40 km autour des cultures de la plante.

Selon une seconde étude, réalisée cette fois par Perin et al. en 2008 intitulée « Coût de la production agricole de la biomasse du panic érigé » (Farm-scale production cost of switchgrass for biomass) qui s’attache à l’aspect financier de la transformation en biocarburant, le coût de production d’une tonne de panic érigé s’élèverait en moyenne à 60 dollars pour l’exploitant agricole, ce qui reviendrait à un coût de production de 0,75 dollars pour 3,8 litres d’éthanol cellulosique. Par ailleurs, avec les caractéristiques de production du panic érigé (semis tous les 10 ans, croissance rapide de la plante), l’étude a indiqué que, lorsque la production est réalisée sur un même champ de culture sur une durée supérieure à 5 ans, le coût moyen annuel par tonne de panic érigé produit pouvait être réduit à 43 dollars.

Panic érigé, Brett Hampton, USDA, service de recherche agricole, photo USDA

La reprise de ces études montre l’intérêt aujourd’hui pour les agriculteurs d’opter pour la culture du panic érigé au vu du bénéfice économique réalisable et ce, dans un contexte de hausse des prix du carburant et des terres agricoles.

Subvention de l’USDA pour développer les atouts potentiels du panic érigé

La production de biocarburants est suivie de près au niveau fédéral et le Ministère de l’Agriculture (USDA) en est au premier plan. Cette administration a financé plusieurs actions telles que le Programme pour les biocarburants dits « avancés » d’un montant de 65 millions de dollars, le Programme de recherche et développement sur la biomasse d’un montant de 40 millions de dollars annuels, ou encore une des dernières mesures mises en place pour subventionner à hauteur de 4,2 millions de dollars l’installation de 266 pompes à essence mélangeant éthanol et essence dans 30 états différents.

En 2011, l »université de l’Iowa a par ailleurs obtenu une subvention de 25 millions de dollars sur 5 ans, en vue d’analyser les caractéristiques du système de production agricole (graines semées, outils de production utilisés, marché agricole, …) dans la région centre des Etats-Unis. L’objectif est la mise en place d’un système de production de biocarburants durables. Le projet, intitulé CenUSA (Central USA), vise à intégrer les graminées vivaces, telles que le panic érigé, dans la production de bioénergies et de biocarburants, compte tenu des avantages associés à la culture et la production de cette plante.

Ken Vogel, chercheur en génétique et spécialiste des graines et fourrage à l’ARS, installé au centre de recherche en bioénergie à Lincoln (Nebraska), travaille sur trois études relatives à la transformation du panic érigé en biocarburant. Il dirige un groupe de travail intitulé « De l’information génétique de la graine jusqu’à la récolte » (Germplasm to Harvest). Ce groupe développe des lignées de plantes, telles que le panic érigé ou l’herbe des indiens (Sorghastrum nutans), qui permettraient d’obtenir un rendement de production proche de 50% de son rendement maximal dès la première année de culture.

L’équipe de Ken Vogel a également dirigé une étude qui s’est déroulée sur 5 ans, concernant l’amélioration des caractéristiques du panic érigé (méthode de culture, rendement de la plante, …). Les conclusions de cette étude ont permis de déterminer, suite à l’analyse de données de terrain recueillies auprès de plusieurs agriculteurs, que le coût moyen de production du panic érigé s’élevait à 50 dollars par tonne, avec un rendement de conversion en biocarburant par tonne de 80 à 90 litres. Le coût total de production de 3,8 litres de biocarburant (1 gallon = 3,8 litres) serait alors compris entre 0,56 et 0,62 dollars. Comparativement, le coût de production d’un gallon de biocarburant (3,78 litres) produit à partir de maïs avoisine les 2,35 dollars.

En parallèle à ce projet, l’équipe de Vogel a développé une méthode de détection spectroscopique reposant sur des capteurs proche infrarouge qui permet de détecter une vingtaine de composants du panic érigé, dont les sucres cellulaires, les sucres solubles ou la lignine, en vue de déterminer le potentiel de transformation en biocarburant de la plante. Cette méthode « rapide » présente un avantage certain au niveau financier puisqu’une analyse s’élèverait à 5 dollars par échantillon alors que le coût des méthodes actuelles -analyses chimiques et biologiques- peut atteindre la centaine de dollars par échantillon suivant les composants analysés. Ces travaux pourraient améliorer les prévisions de récolte et augmenter les rendements de culture dans le but d’optimiser la production de biocarburants tout en diminuant les coûts financiers.

Pour terminer, il serait intéressant de citer une étude qui vient d’être publiée sur le maintien à l’état juvénile du panic érigé.

Un panic érigé toujours jeune qui contiendrait plus de sucres

En 2011, les scientifiques Sarah Hake et George Chuck, tous deux chercheurs en génomique (respectivement appartenant à l’ARS Berkeley et l’université de Berkeley), ont développé une nouvelle variété de panic érigé génétiquement modifié qui se maintient à une taille juvénile. Ceci permet à la plante d’éviter l’étape de floraison ce qui limitera le transfert et l’utilisation de l’amidon vers la fleur. L’amidon restera ainsi stocké dans la tige. L’absence de fleur permettrait par ailleurs, d’éviter la transmission des gènes modifiés vers les autres plantes.

Afin de parvenir au maintien de la plante à son état juvénile, les chercheurs ont inséré dans le génome du panic érigé, le gène Corngrass 1 (Cg1) qui permet, au niveau phénotypique, de conserver la structure des parois et la morphologie cellulaire des plantes jeunes. Lors de leur étude, les chercheurs ont observé que les feuilles du panic érigé modifié étaient moins solides, et que la structure de la lignine était moins résistante et donc plus facile à dégrader pour libérer les sucres valorisables en biocarburant. La quantité d’amidon présente dans les parois cellulaires de la plante modifiée est également multipliée par un facteur supérieur à deux , ce qui augmente le rendement de production en biocarburant de la plante. L’état juvénile de la plante permet également de faciliter le pré-traitement (étape de dégradation enzymatique de la plante pour faciliter la libération des sucres) avant la transformation du panic érigé en biocarburant.

La prochaine étape de l’étude est de cibler l’action du gène Cg1 afin d’éviter qu’il ne maintienne également la racine du panic érigé à son état juvénile et pour que celle-ci puisse se développer et permettre, d’une part, à la plante d’absorber les nutriments nécessaires dans le sol et, d’autre part, d’augmenter la perméabilité et les réserves en eau des sols.

L’optimisation des méthodes de cultures du panic érigé couplée à l’amélioration des caractéristiques de la plante devrait permettre de créer un système intégré valorisable pour la production de biocarburant.

Origine : BE Etats-Unis numéro 305 (5/10/2012) – Ambassade de France aux Etats-Unis / ADIT – http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/71098.htm