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Vous êtes ici : Accueil > Technique > Mémoires > Fibres de miscanthus et matériaux composites Révision : 13 avril 2016  
Fibres de miscanthus et matériaux composites
 
             Adam LY et Augustin SALASCA

Élèves ingénieurs 2e année
Mai 2015
Mise en ligne - Avril 2016

Avertissement
Ce mémoire d'étudiants est une première approche du sujet traité dans un temps limité.
À ce titre, il ne peut être considéré comme une étude exhaustive comportant toutes les informations
et tous les acteurs concernés.

       
  Plan  
I - Introduction
II - Matériaux composites et miscanthus
III - Analyse économique
IV - Perspectives
V - Conclusion
VI - Bibliographie-Webographie
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I - Introduction

Plan

   
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            Miscanthus      
  Figure 1 - Miscanthus
[RMT Biomasse]
 

Les matériaux composites représentent un marché attractif pour les industriels car ils permettent d’améliorer nettement les propriétés physico-chimiques par le seul assemblage de composants aux propriétés complémentaires : la matrice et le renfort.

Pour les industries désireuses de remplacer les ressources fossiles, l’utilisation de biopolymères comme matrices de matériaux fonctionnels pourrait constituer une alternative à l'usage des polymères dérivés du pétrole. Négligés il y encore une vingtaine d'années, les biopolymères connaissent désormais un essor remarquable avec une production annuelle de plus de 600 000 tonnes.

Le renfort d'un matériau composite est traditionnellement composé de fibres de verre ou de carbone. Ces dernières tendent à céder la place aux fibres végétales. C’est ainsi que le miscanthus – connu pour son caractère stérile et non invasif et pour son grand potentiel de productivité à faible coût – est une plante d'un grand intérêt pour les biocomposites [Figure 1]. En effet, depuis son introduction en Europe par un horticulteur danois, aucun phénomène de développement incontrôlé n’a été recensé. La triploïdie des cellules du miscanthus giganteus le rendent stérile. Il ne peut donc se reproduire que végétativement ou bien être reproduit via ses rhizomes ou par clonage.

En France, la valorisation énergétique constitue le principal débouché des cultures de miscanthus. Cependant, la diversification des applications est un enjeu important pour cette filière. Biocarburants de deuxième génération, litières, paillages horticoles, plasturgie et agro-matériaux pour la construction sont autant de domaines – pour la plupart encore en phase de R&D – dans lesquels ce végétal semble avoir un avenir prometteur. Notre étude se penche sur l’intérêt de la fibre de miscanthus dans les matériaux biocomposites.

II - Matériaux composites et miscanthus

Plan

II-1 - Matériau composite

II-1-1 - Qu'est-ce qu'un matériau composite ?

Un matériau composite est un assemblage d’au moins deux matériaux non miscibles possédant de bonnes propriétés d’adhésion. Le matériau constitué possède alors les propriétés de ses différents composants, souvent complémentaires et peut ainsi être plus performant que chacun de ses composants pris individuellement.

Il comprend une ossature, le renfort, et un liant, la matrice. Assurant la tenue mécanique du matériau, le renfort est principalement composé de fibres (métal, verre, polymère, végétal). La matrice, dont la résistance mécanique est bien plus faible, transmet les contraintes mécaniques au renfort et le protège face aux diverses conditions environnementales. De plus, elle permet de donner la forme voulue au matériau composite. Ce dernier, ainsi formé, possède de bien meilleures propriétés mécaniques telles qu’un meilleur module de Young, une plus grande limite élastique, etc.

Il faut noter qu’un intérêt croissant est porté aux fibres végétales, comme le lin et le chanvre, dont l’utilisation dans certaines applications montre des propriétés similaires aux fibres de verre. Celles-ci sont encore employées dans 95 % des cas pour renforcer des matériaux thermoplastiques et thermodurcissables et ont un module de Young de 70 GPa. Les thermodurcissables ne peuvent être mis en forme qu’une seule fois et deviennent infusibles et insolubles à la suite de la polymérisation contrairement aux polymères thermoplastiques : ces derniers peuvent être mis en forme plusieurs fois lorsqu’ils sont chauffés au-delà de leur température de transition vitreuse.

II-1-2 - Matériau composite à base de fibres végétales

Le recours aux fibres végétales (bois, chanvre, lin, miscanthus, etc.) pour servir de renfort d'un matériau composite est une alternative de plus en plus prisée [Figure 2]. En effet, elles s’inscrivent parfaitement dans les enjeux environnementaux et de santé actuels. Leur caractère biodégradable et renouvelable n’en diminue pas moins leurs propriétés physiques. Dans certains domaines, leurs performances égalent celles des fibres de verre : par exemple, les fibres longues du chanvre garantissent de bonnes propriétés mécaniques.

                Fibres végétales      
  Figure 2 - Diversité de l'offre de fractions végétales fibreuses (source FRD)
[ADEME]
 
     

Pour un matériau biocomposite dont la matrice et/ou le renfort sont issus de la biomasse, sont utilisées majoritairement des fibres végétale – légères, hydrophiles et hygroscopiques – qui représentent un atout considérable en termes de disponibilité (cellulose : production = 200 milliards de tonnes/an) et de coût (cellulose : coût = 1 €/kg). Ces fibres sont flexibles, non abrasives et non toxiques. Elles ont une densité faible permettant de réduire la consommation d'énergie lors de la production et par conséquent, le coût de fabrication du matériau biocomposite. C'est aussi un avantage majeur pour le secteur du transport.

De plus, elles sont intéressantes quant à la formulation des matériaux (en dehors de leur capacité à stocker du dioxyde de carbone).

Pour que les différents constituants du matériau composite soient compatibles, il faut que l’adhésion – notion intrinsèquement liée à la nature des surfaces impliquées – soit effective. Le phénomène d’adhésion consiste en la formation d’un contact interfacial au niveau moléculaire, ici entre la matrice et le renfort. Les fibres naturelles et les résines thermoplastiques sont rarement compatibles : conséquence de la nature hydrophile des fibres végétales et du caractère plus hydrophobe des thermoplastiques. C’est là que réside la plus grande difficulté de la conception de matériaux composites à base de fibres végétales. Il est parfois nécessaire de modifier le renfort et/ou la matrice afin d’obtenir les propriétés requises.

Les modifications concernent généralement les fibres plutôt que la matrice, ce qui peut également améliorer certaines de leurs propriétés (barrière,...).

Aujourd’hui, les principaux domaines d’application des biocomposites sont le transport, le bâtiment, l’automobile, l’emballage et l'ameublement. Les fibres végétales, quant à elles, sont principalement destinées au marché du textile (lin), du papier (chanvre, lin oléagineux), du paillage pour litière animale ou en horticulture (chanvre, lin). Depuis une dizaine d’années, les producteurs de fibres végétales tentent de diversifier leurs débouchés notamment sur les marchés de l’isolation, du béton et de la plasturgie. La Figure 3 retrace le cycle de vie de ces principaux usages.

                Cycle de vie de produits à base de fibres végétales      
  Figure 3 - Cycle de vie de produits à base de fibres végétales (source FRD)
[ADEME]
 
     

Le cycle de vie d’un produit à base de fibres végétales comporte quatre phases.

On parle de biocomposite dès que la matrice ou le renfort est issu de la biomasse.

II-2 - Fibres de miscanthus

II-2-1 - La plante

Le miscanthus, aussi appelé "Herbe à Éléphant", "Eulalie" ou "roseau de Chine", est une plante herbacée vivace de la famille des Poaceæ (Graminées) originaire d’Afrique et d’Asie du sud. Issue des marais, pentes et flanc de collines, c’est une plante robuste qui n’est sujette ni aux maladies, ni aux attaques de rongeurs ou autres ravageurs.

L’espèce hybride miscanthus giganteus synthétisée à partir de deux espèces naturelles – miscanthus sinensis et miscanthus sacchariflorus – a été créée dans un but de production énergétique. En effet, la paille de miscanthus contient très peu d’eau – 70 à 80 % de masse sèche sans séchage –, ce qui lui confère un pouvoir calorifique de 4700 kWh/t, supérieur à celui de la plaquette de bois (3300 kWh/t). Ainsi, le miscanthus peut remplacer jusqu’à 50 % du bois dans une chaudière industrielle ou dans une centrale électrique. Il peut également être envisagé pour le chauffage domestique.

Toutefois, l’aspect le plus intéressant de cette plante est son haut rendement de production qui peut aller jusqu’à 35 tonnes sèches par hectare. Cette forte productivité a suscité un intérêt croissant des industriels et du monde agricole, et a conduit à son implantation en Europe dès les années 1980 dans le cadre des recherches sur les bioénergies.

Des plantations de miscanthus sont localisées dans certains pays d’Europe : Royaume-Uni (15 000 hectares), Allemagne et France (2000 hectares) [Figure 4].

                Répartition de la culture du Miscanthus en France      
  Figure 4 - Répartition de la culture du miscanthus en France (source FRD)
[ADEME]
 
     

Le miscanthus giganteus se reproduisant par bouturage du rhizome – phénomène de multiplication végétative asexuée basé sur la création de clones –, il a la spécificité d’être stérile et non invasif. Pour obtenir un rendement maximal, la plantation doit respecter certains critères : salubrité du sol, profondeur d’ensemencement – l'enracinement peut atteindre deux mètres de profondeur –, alimentation naturelle en eau, pH entre 5,5 et 8 et température du sol supérieure à 8-10°C. Planté en début de printemps, le miscanthus pousse d’avril à septembre et peut atteindre 2 à 4 mètres de haut en fin de cycle. En général, l’objectif de peuplement est de 10 000 à 15 000 pieds par hectare.

Autre avantage de la plante : elle a de faibles besoins nutritifs. Aucune fertilisation n’est nécessaire lors des deux à trois premières années de culture. Elle peut le devenir les années suivantes mais les besoins en azote restent faibles (40 unités d’azote par hectare et par an). La récolte est annuelle à partir de la deuxième ou troisième année, généralement en fin d’hiver pour obtenir un produit sec ne nécessitant pas de séchage. Il semblerait que la culture soit exploitable pendant 15-20 ans. La productivité du miscanthus atteint les 10 t MS/ha après la 2e ou 3e année d’implantation et peut atteindre un maximum entre la 3e et 5e année. Elle varie selon la période de récolte [Tableaux 1 & 2].

                Productivité du miscanthus en fin d'hiver      
  Tableau 1 - Productivité du miscanthus en fin d'hiver
[RMT Biomasse]
 
     
                Productivité du miscanthus en automne      
  Tableau 2 - Productivité du miscanthus en automne
[RMT Biomasse]
 
     

II-2-2 - Impact environnemental

Impact sur la pollution des sols

Les vertus du miscanthus sont nombreuses quant à la protection des sols notamment en étant une barrière efficace contre l’érosion éolienne. En outre, l’infiltration de l’eau est favorisée par la densité de son système racinaire et la forte activité biologique du sol en dessous de la plante permet une dégradation des produits phytosanitaires.

La plantation de miscanthus exige un sol salubre d'où la nécessité d'un désherbage durant la première année. Néanmoins, des produits phytosanitaires, destinés à prévenir ou soigner les maladies des organismes végétaux, sont également utilisés lorsque le miscanthus est encore sensible à la concurrence des adventices (herbes non souhaitées). Ensuite, en hiver, un dépôt de feuilles crée un mulch, empêchant ainsi le développement des adventices.

L’apport d’azote n’étant pas nécessaire, la quantité d’azote lessivée sur les parcelles de culture est négligeable.

La production de la culture de miscanthus peut durer 20 ans après sa plantation. Toutefois, il est possible de détruire cette culture par plusieurs méthodes [Tableau 3].

                Méthodes de destruction des cultures de miscanthus      
  Tableau 3 - Méthodes de destruction des cultures de miscanthus
[Colloque France Miscanthus - RMT Biomasse]
 
     

Recyclage

La directive 2008/98/CE est l'un des fondements de la politique de gestion des déchets de l’Union européenne. Des objectifs de recyclage doivent être atteints par les États membres d’ici 2020 :

Pour les matériaux composites, le recyclage peut être mécanique, par remoulage ou par voie chimique. Il s'avère délicat pour les biocomposites : ces derniers doivent être séparés des autres matériaux composites dans le centre de tri, puis classés selon la nature et les proportions de leur renfort et de leur matrice. Bien que difficile à mettre en œuvre, le recyclage apparaît tout de même comme l’une des meilleures valorisations des biocomposites. L'analyse du cycle de vie établit que le recyclage des matériaux biocomposites a globalement l’impact environnemental le plus faible [Figure 5].

                Analyse du cycle de vie des matériaux composites      
  Figure 5 - Analyse du cycle de vie des matériaux composites  
     

II-2-3 - La fibre

À l'origine, le miscanthus giganteus a été créé afin de produire de l’énergie (chauffage, cogénération). Ces dernières années, l’exploitation de ses fibres fait l'objet d'études. Le terme "fibre végétale" désigne une large gamme de fractions végétales. Il est donc important de préciser sur quel type de fibre porte notre étude.

La fibre de miscanthus est une fibre millimétrique obtenue après un processus de défibrage et/ou d’affinage. Ses caractéristiques, notamment de solidité et d'élasticité, sont recherchées pour jouer le rôle de renfort dans les composites [Tableau 4]. En outre, comme la plupart des fibres végétales, elle possède également de bonnes propriétés d’absorption d’eau ainsi que d’isolation thermique et sonore.

                Caractéristiques de la fibre de miscanthus      
  Tableau 4 - Caractéristiques de la fibre de miscanthus  
     

Le Tableau 5 présente la composition chimique de la fibre de miscanthus.

                Analyse chimique de la fibre de miscanthus      
  Tableau 5 - Analyse chimique de la fibre de miscanthus
[RMT Biomasse]
 
     

Pour obtenir de telles fibres, plusieurs étapes sont nécessaires. Une fois mature, la plante est récoltée (fauchage puis presse, ou ensilage) puis stockée sous forme de balles de paille. Acheminée vers un site d’extraction des fibres, cette paille subit un traitement mécanique. Le procédé employé est classique, guère différent de celui utilisé pour les autres types de fibres végétales [Figure 6].

                Traitement mécanique de la paille      
  Figure 6 - Traitement mécanique de la paille
[ADEME]
 
     

Trois étapes :

Dans le cas du miscanthus, seules des fibres millimétriques et des poudres sont obtenues à la fin du défibrage.

Pour l’étape de décortication, il est possible d’utiliser plusieurs types de broyeurs.

                Broyeur à lames   Broyeur à lames  
  Figure 7 - Broyeur à lames  
         
                Broyeur à marteaux   Broyeur à marteaux  
  Figure 8 - Broyeur à marteaux  
         

Outre le traitement mécanique, les fibres de miscanthus peuvent être extraites par un procédé physico-chimique : l’explosion vapeur (steam explosion).

Selon une étude de l’Université de Liège, l’explosion vapeur a été développée initialement en 1924 par W.H. Mason pour la production de panneaux de bois agglomérés. Son application a ensuite été étendue à la production d'aliments pour ruminants durant la seconde moitié du 20e siècle. D'un point de vue technique, l'installation d’explosion vapeur est composée d'un générateur de vapeur qui alimente un réacteur soumis à une dépressurisation soudaine. Lors de cette dernière, la matière est éjectée du réacteur et récupérée au niveau d'un éclateur [Figure 9].

                Installation de steam explosion      
  Figure 9 - Installation de steam explosion  
     

Le procédé d’explosion vapeur présente deux phases distinctes : le vapocraquage et la décompression explosive.

Deux facteurs sont déterminants pour optimiser l'efficacité du procédé : le temps de rétention et la pression.

L’opération d’affinage peut être une étape de cardage au cours de laquelle les fibres sont peignées pour être orientées et démêlées [Figure 10].

                Unité de cardage      
  Figure 10 - Unité de cardage  
     

II-3 - Étude comparative des matériaux composites à base de miscanthus

L’avenir des fibres de miscanthus dans les matériaux composites est conditionné par les critères exposés précédemment. Ces fibres doivent constituer un renfort permettant de respecter le cahier des charges du matériau composite fabriqué. Pour cela, elles doivent tout d’abord posséder les propriétés mécaniques requises. De plus, elles doivent avoir une adhésion suffisante avec les matrices couramment utilisées moyennant un traitement éventuel. Si ces critères ne sont pas respectés, si les performances des composites utilisant les fibres de miscanthus restent en-deçà des composites utilisant des fibres de chanvre ou de lin, ou encore si le coût de fabrication est trop élevé, leur développement n'est pas envisageable.

Pour déterminer si les composites contenant des fibres de miscanthus en tant que renfort sont techniquement satisfaisants, il est intéressant de remplacer les fibres végétales par des fibres de miscanthus dans les matériaux composites les plus répandus. Nous avons choisi de présenter des résultats obtenus avec des matrices de polypropylène et de PLA. L’expérience compare deux types de renfort : les fibres de miscanthus et les fibres de chanvre. Pour cela, plusieurs mélanges polymère/fibres végétales sont préparés avec des proportions différentes. Puis ces mélanges sont introduits dans une extrudeuse afin d’obtenir un matériau composite. Enfin, ces composites sont thermoformés à l'aide d'une thermopresse puis testés en laboratoire. Pour mettre en évidence le phénomène d’adhésion entre le renfort et la matrice, chaque essai est réalisé avec des fibres brutes et aussi avec des fibres ayant subi un traitement Corona au préalable (traitement permettant d’augmenter l’énergie de surface des fibres, donc d’augmenter leur adhésion avec la matrice).

Résultats

Première observation : les fibres de miscanthus sont réceptives au traitement Corona et même plus que les fibres de chanvre ou de lin à partir de 50 minutes de traitement. Pour mettre ce fait en évidence, des mesures d’angle de contact avec le glycérol en fonction du temps de traitement ont été effectuées pour chaque type de fibre [Figure 11].

                     
  Figure 11 - Évolution de l’angle de contact avec le glycérol
pour différentes fibres en fonction du temps de traitement Corona
[M. Ragoubi]
 
     

L’impact du faisceau d’électrons lors du traitement Corona a aussi pour effet de dégrader la surface des fibres, les rendant ainsi plus rugueuses. Ce phénomène a un impact direct sur l’adhésion des fibres à la matrice.

En ce qui concerne les propriétés mécaniques des matériaux composites, une amélioration par rapport au polymère seul est observée, quel que soit le type ou la proportion de renfort introduit. En revanche, les meilleurs résultats sont obtenus pour des taux d'introduction de 20 et 30 % de fibres végétales. En effet, à partir de 40 %, la population de fibres devient trop importante et des phénomènes de cisaillement, de friction ou encore d’agglomération rendent le matériau composite anisotropique, donc plus fragile.

Les fibres traitées constituent un bien meilleur renfort que les fibres brutes. Cela est dû à une meilleure adhésion entre renfort et matrice. L’augmentation d’énergie de surface et surtout la rugosité conférée aux fibres par le traitement Corona en sont la cause [Figures 12 & 13].

Dans les schémas suivants :

                     
  Figure 12 - Module de Young et contrainte à la rupture normalisés
des composites à base de PLA à 20 et 30 % en fibres
[M. Ragoubi]
 
     
                     
  Figure 13 - Module de Young et contrainte à la rupture normalisés
des composites à base de PP à 20 et 30 % en fibres
[M. Ragoubi]
 
     

Quelle que soit la matrice utilisée, les composites renforcés par des fibres de miscanthus présentent de meilleures propriétés mécaniques que ceux renforcés par des fibres de chanvre, y compris après que les fibres aient subi un traitement Corona.

Le PLA et le polypropylène ayant des propriétés mécaniques semblables, il est possible de comparer l’apport des fibres de miscanthus dans chacune de ces matrices. Le composite polypropylène/miscanthus présente les meilleurs résultats. Cela signifie que l’adhésion des fibres de miscanthus avec le polypropylène est meilleure qu'avec le PLA [Figure 14].

                     
  Figure 14 - Module de Young et contrainte à la rupture normalisés
des composites à base de miscanthus à 20 et 30 % en fibres
[M. Ragoubi]
 
     

Il existe d’autres types de matériaux composites utilisant des fibres naturelles, notamment de miscanthus, en tant que renfort : ceux employés dans le bâtiment. Toujours dans le but de déterminer si les composites à base de miscanthus sont techniquement viables, ils sont confrontés aux biocomposites couramment utilisés dans ce secteur.

La fibre de chanvre sert à fabriquer des laines isolantes et la chènevotte, à fabriquer des matériaux chaux-chanvre (béton, mortier ou enduit). Le béton de chanvre possède de bonnes propriétés isolantes. En conséquence, il est utilisé dans la construction de murs, chapes et dalles, d’enduits isolants extérieurs et intérieurs et de toitures. Pour monter un mur en béton de chanvre, il faut bâtir une ossature, en bois par exemple, puis remplir la paroi verticale avec le béton.

Le béton de chanvre est perméable à la vapeur d'eau. Cette caractéristique lui donne une bonne capacité à absorber le surplus de vapeur d'eau lorsque l'air est trop humide et à la restituer lorsqu'il s'assèche, permettant ainsi un ajustement de l'humidité dans la maison. Selon l'association Construire en Chanvre, la quantité de chanvre nécessaire à la production d'un mètre carré de mur en béton de chanvre représente un stockage de 35 kg de CO2.

Les performances du béton de chanvre sont les suivantes :

Le miscanthus peut être utilisé dans divers matériaux de construction, notamment les panneaux d’isolation et les bio-bétons [Figure 15]. On le retrouve ainsi sous la forme de béton léger, enduit, chapes de ciment, constructions en torchis, plaques d'isolation, etc. Un hectare de miscanthus utilisé dans le bâtiment permet de stocker environ 40 tonnes de CO2.

                Exemples de biocomposites à base de miscanthus utilisés dans le bâtiment      
  Figure 15 - Exemples de biocomposites à base de miscanthus
utilisés dans le bâtiment
 
     

Un hectare de miscanthus récolté et 30 m3 de bois résineux permettent d'obtenir les matériaux nécessaires à la construction intégrale d'une maison écologique, à basse consommation d'énergie grâce à leur bonne capacité d'isolation [Figure 16].

                Isolation avec des fibres de miscanthus      
  Figure 16 - Isolation avec des fibres de miscanthus  
     

Le miscanthus résiste plus longtemps à la putréfaction que d'autres pailles, ce qui le rend intéressant pour la couverture des toits en chaume. Les couvreurs le préfèrent à d’autres matériaux également pour sa facilité et sa rapidité de mise en œuvre.

III - Analyse économique

Plan

III-1 - Environnement économique du miscanthus

Depuis son introduction en Europe, les surfaces de culture évoluent de 5 à 10 % par an. En France, on compte une trentaine de cultures de miscanthus. Les principaux bassins de production se situent en Picardie, Champagne-Ardenne, Rhône-Alpes, Normandie, Bourgogne et dans le Centre, les Pays de la Loire et le Nord-Pas-de-Calais. Considérant un rendement moyen de 15 tonnes par hectare, la production française de miscanthus peut être estimée à 37 500 tonnes de paille en 2012.

III-1-1 - Facteurs de développement

En France, le principal débouché des cultures de miscanthus est la valorisation énergétique. Toutefois, il faut noter que l’ouverture d'autres débouchés constitue un enjeu important pour cette filière. Parmi eux, citons la fabrication des biocarburants de deuxième génération, les litières, les paillages horticoles, la plasturgie et les agro-matériaux destinés à la construction. Ces derniers en sont toujours au stade de la R&D. Deux types de matériaux sont envisageables : les panneaux agglomérés et les bétons végétaux.

Le béton de miscanthus est composé principalement de fibres de miscanthus introduites dans une matrice minérale tel que le ciment, la chaux ou encore la terre. Il peut prendre différentes formes :

III-1-2 - Acteurs de la production du miscanthus

Parmi les acteurs de la production et de la valorisation du miscanthus en France, figurent :

De nouveaux entrants cherchent à se positionner dans cette filière :

Quelques producteurs anglais cherchent également à commercialiser des produits issus du miscanthus sur le territoire français.

III-1-3 - Diagnostic stratégique

Forces Faiblesses
  • Intérêt croissant pour les matériaux biosourcés et recyclables.
  • Grande productivité du miscanthus (entre 12 et 20 t/ha).
  • Plante non invasive.
  • Fertilisation nécessitant peu d’azote.
  • Utilisation efficace de l’eau.
  • Possibilité de croissance sur des terrains pollués.
  • Pouvoir absorbant & capacité d’isolation.
  • Nombreuses utilisations dans le secteur du bâtiment.
  • Grande quantité d'eau nécessaire.
  • Adhésion peu probante avec les matrices en polymère.
Opportunités Menaces
  • Appauvrissement des réserves de pétrole.
  • Législation environnementale plus rigoureuse.
  • Tendance accrue à la consommation durable.
  • Forte concurrence du plastique dans les matériaux composites.
  • Grande utilisation des fibres de verre dans les matériaux composites.
  • Développement de matériaux biocomposites à partir d’autres fibres végétales (lin, chanvre).
  • Dévelopement des biocarburants de 2e génération en concurrence avec l’exploitation de ces fibres dans les matériaux biocomposites

Tableau 6 - Diagnostic stratégique via la matrice SWOT

III-2 - Environnement économique des concurrents du miscanthus

III-2-1 - Le lin

            Fibres de lin       
  Figure 17 - Fibres de lin
[Elferdy]
 

C'est une plante herbacée annuelle des régions tempérées de la famille des Linacées [Figure 17]. Deux variétés sont cultivées en France : le lin fibre et le lin oléagineux. Elles diffèrent par leur représentativité sur le territoire français et par leurs débouchés. Historiquement, le lin fibre, sélectionné pour la qualité de sa fibre, est dédié aux usages textiles, tandis que le lin oléagineux est sélectionné pour sa production de graines riches en huile. Les surfaces de lin fibre cultivées en France sont variables d’une année sur l’autre, en fonction du prix du lin sur le marché textile, lui-même très volatil.

La France est le premier producteur mondial de lin, devant la Belgique et les Pays-Bas, avec des surfaces en culture variant entre 55 000 et 80 000 hectares pour le lin textile et environ 15 000 hectares pour le lin oléagineux. La chute des prix mondiaux du textile a eu un impact sur ces surfaces, estimées à 61 000 hectares en 2011.

Les débouchés de la construction et du bâtiment concernent deux sous-produits – les fibres courtes et les anas – générés par le lin fibre et le lin oléagineux, dans des proportions différentes pour chacune des variétés [Figure 18].

                Le lin dans la construction : de la production agricole à la fabrication des produits      
  Figure 18 - Le lin dans la construction : de la production agricole
à la fabrication des produits
[Nomadéis]
 
     

La valeur générée par ces débouchés est faible par rapport à celle générée par le débouché textile. Ainsi, les produits à base de lin fibre utilisés dans la construction ou le bâtiment sont des co-produits de la filière lin fibre. Trois produits biosourcés à base de lin sont fabriqués, commercialisés et mis en œuvre en France : les laines de lin conditionnées sous forme de panneaux/rouleaux, les panneaux d’anas agglomérés, et les feutres d’isolation phonique (sous-couches de parquet). La plupart des panneaux agglomérés contiennent également d’autres matières premières (majoritairement de la fibre de bois mais également des matériaux comme la paille de colza).

Bétons et mortiers de lin sont en cours de développement et ne sont pas encore commercialisés. D’autres produits (en marge du périmètre de l’étude) commencent à faire leur apparition sur le marché : il s’agit de produits de revêtement, d’ameublement et de décoration (stores en lin, ameublement de cuisine, linoleum, etc.).

La part de ces volumes valorisée dans le secteur de la construction est estimée à 1 % (soit environ 500 tonnes) pour les fibres courtes et 50 % (soit entre 85 000 et 125 000 tonnes) pour les anas. Les volumes produits annuellement varient de 170 000 à 250 000 tonnes par an pour les anas, et de 38 000 à 55 000 tonnes par an pour les fibres courtes.

Les fibres longues, bien que représentant uniquement 20 % du poids, représentent 80 % du chiffre d’affaire mais ne sont jamais valorisées dans le secteur de la construction.

Chiffre d’affaires et emplois

La France compte environ 5000 producteurs de lin et une vingtaine de premiers transformateurs (sociétés coopératives ou teilleurs privés) employant un total de 1500 salariés.

Le chiffre d’affaires relatif à la production agricole du lin fibre est estimé à plus de 180 millions d’euros par an, et celui relatif à la valorisation dans le secteur de la construction entre 4,7 et 6,9 millions d’euros par an (soit entre 2 et 4 %) [Tableau 7].

La valorisation du lin oléagineux dans le secteur de la construction est en cours de progression. Les volumes concernés sont, à ce jour, inconnus mais ont un potentiel important.

                Chiffre d'affaires et volumes de production des sous-produits du lin fibre      
  Tableau 7 - Chiffre d'affaires et volumes de production des sous-produits du lin fibre
[Nomadéis]
 
     

Les industriels sont peu nombreux sur le marché de la construction : 5 sociétés identifiées en France, employant 300 à 500 salariés au total. Le chiffre d’affaires relatif à la fabrication des laines isolantes à base de lin se situe actuellement entre 3 et 4 millions d’euros annuels. Le chiffre d’affaires global lié à la production des panneaux agglomérés mixtes lin/fibre de bois est quant à lui estimé à 90 millions d’euros par an.

Répartition de la distribution

Les laines isolantes produites en France sont quasi-exclusivement distribuées dans l'Hexagone. En revanche, 75 % des panneaux agglomérés en lin ou lin/fibre de bois sont exportés dans le monde entier.

Répartition des coûts

La part de l’achat de matière première peut représenter entre 35 à 60 % du prix de vente des produits à base de lin à destination de la construction.

Acteurs de la filière lin

La quasi-totalité des surfaces de production du lin se situent dans le Nord de la France et la moitié de ces surfaces, en Haute-Normandie. Une fois récoltée et stockée, la paille de lin est livrée par les producteurs aux coopératives ou entreprises de teillage, acteurs de la première transformation. De là, sont obtenus des fibres longues ou filasses (pour le lin textile uniquement), des fibres courtes ou étoupes, des anas et des poussières. Les sous-produits sont ensuite vendus à des industriels.

Quelques acteurs étrangers interviennent sur le marché français dont Isovlas, société tchèque commercialisant des feutres de lin. Les fabricants commercialisent leurs produits sous leurs propres marques, comme EcoTechnilin, ou pour le compte d’autres sociétés : par exemple, l'isolant Natur’lin commercialisé par la coopérative Lin 2000 est fabriqué par Effireal.

Plusieurs structures organisatrices relèvent de la filière lin :

Arvalis-Institut du Végétal, qui a intégré l’Institut Technique du Lin en 2011, est quant à lui un acteur majeur de la recherche pour cette filière.

                Cartographie des acteurs de la filière lin pour la construction   Localisation des acteurs et des surfaces des filières lin fibre et oléagineux pour la construction      
  Figure 19 - Cartographie des acteurs de la filière lin
pour la construction
[Nomadéis]
      Figure 20 - Localisation des acteurs et des surfaces
des filières lin fibre et oléagineux pour la construction
[Nomadéis]
 
         
                Tableau de synthèse du lin      
  Tableau 8 - Tableau de synthèse du lin
[Nomadéis]
 
     

III-2-2 - Le chanvre

            Fibres de chanvre      
  Figure 21 - Fibres de chanvre
[Elferdy]
 

Le chanvre est une plante à croissance rapide de la famille des Cannabacées. Grâce aux atouts de sa laine, de sa chènevotte et de son béton, il apparaît comme un sérieux concurrent du miscanthus dans le secteur du bâtiment [Figure 21]. Différents produits de construction peuvent être obtenus à partir du chanvre : des produits d’isolation rapportée thermique et/ou acoustique (laines et granulats) et des produits de remplissage (béton, mortier, enduit et bloc à façonner : les granulats de chanvre sont mélangés à des liants) [Figure 22].

               
Le chanvre dans la construction : de la production agricole à la mise en œuvre
     
  Figure 22 - Le chanvre dans la construction : de la production agricole à la mise en œuvre
[Nomadéis]
 
     

De nombreux programmes de recherche sont dédiés aux béton et mortier à base de chanvre ou autre végétal tant par des structures publiques (ENTPE) que par des groupes industriels (Lafarge, Vicat). Ils ont permis d’établir les forces et faiblesses liées à ces produits [Tableau 9].

Forces Faiblesses
  • Bonnes performances environnementales
  • Bonnes performances techniques (isolation)
  • Permet une approche globale de la performance d'un bâtiment : thermique, acoustique, hydrique
  • Filière déjà en place et structurée
  • Opportunités à saisir liées au contexte réglementaire des Grenelle I et II
  • Faibles quantités disponibles
  • Prix plus élevé que le bois
  • Stockage et transport
  • Menace d'autres types de cultures pour le même usage
  • Potentiel conflit d’usage des terres agricoles

Tableau 9 - Diagnostic stratégique via la matrice SWOT

Initialement, la laine de chanvre, qui peut être conditionnée en rouleaux, en panneaux ou en vrac, était quasi exclusivement produite en Allemagne. Sa production en France s'est fortement développée depuis l’installation de la CAVAC Biomatériaux en 2008. La surface en chanvre dans l'Hexagone avoisine les 12 000 hectares. Sept bassins de production sont identifiés, au niveau desquels sont positionnées les principales unités de première transformation : Champagne-Ardenne, Franche-Comté, Lorraine, Île-de-France, Poitou-Charentes, Pays de Loire, Midi-Pyrénées et Bretagne. Ces bassins regroupent 8000 à 10 000 hectares. À cela, s’ajoutent une trentaine de bassins regroupant entre 5 et 30 hectares (pour un total de 500 à 600 hectares).

Les structures porteuses de la filière chanvre sont diverses.

La première transformation joue un rôle décisif en termes d’organisation des acteurs et de commercialisation des produits pour la construction à base de chanvre. Ainsi, des produits de construction très différents peuvent être obtenus à base de chanvre, en fonction des stratégies de commercialisation et des outils de transformation.

Trois types d’organisation de la filière coexistent.

               
Cartographie des acteurs de la filière chanvre pour la construction
     
  Figure 23 - Cartographie des acteurs de la filière chanvre pour la construction
[Nomadéis]
 
     

IV - Perspectives

Plan

Imaginons les évolutions plus ou moins probables du marché des matériaux biocomposites à base de fibres de miscanthus dans trois scénarios.

IV-1 - Scénario 1 - Le gaz de schiste, une opportunité pour les biocomposites à base de fibres de miscanthus.

Hypothèse

Dans les années 2020, l'intérêt porté par les entreprises du secteur de l'énergie aux biocarburants de 2e génération fabriqués à partir du miscanthus permet d’augmenter considérablement la culture de cette plante, notamment sur des parcelles jusque-là incultivables. L'exploitation du gaz de schiste est décidée par le Président de la République élu en 2022. Cette décision donne aux industriels la possibilité de dédier les cultures du miscanthus à d'autres applications que la fabrication de biocarburants. Les matériaux composites renforcés par des fibres naturelles peuvent alors bénéficier de la forte productivité de cette plante pour se développer de façon significative. Le lin est utilisé majoritairement pour ses fibres longues dans le textile. Le miscanthus prend 40 % du marché des renforts de biocomposites.

Probabilité de réalisation du scénario : 20 %

IV-2 - Scénario 2 - Les fibres naturelles des biocomposites, un atout pour les projets de construction induits par la surpopulation

Hypothèse

Au cours des 10 à 25 ans à venir, la démographie galopante conduit à la surpopulation. Pour répondre aux besoins croissants en logements, des plans de construction sont mis en œuvre sur de nouvelles superficies. De plus, la demande énergétique subissant elle aussi une croissance exponentielle, des besoins d’isolation s’ajoutent aux besoins de logements. Cette situation favorise le recours aux matériaux composites à base de fibres végétales dans le secteur du bâtiment, l'avantage étant donné aux fibres à forte productivité.

2020 : les besoins en fibres végétales atteignent 100 000 tonnes dont 10 % de miscanthus et 230 000 de granulats pour l’isolation et le béton, soit une superficie de plus de 160 000 hectares de plantes à fibres dont 10 % de miscanthus.
2035 : les besoins en fibres végétales atteignent 260 000 tonnes dont 25 % de miscanthus et de 350 000 tonnes de granulats pour l’isolation, le béton et les composites thermoplastiques/thermodurcissables.

Probabilité de réalisation du scénario : 70 %.

IV-3 - Scénario 3 - 2025, abandon de tous les projets sur les biocomposites renforcés par des fibres de miscanthus

Hypothèse

Octobre 2020. Un groupe de chercheurs d’AgroParisTech publie une étude provoquant un véritable séisme dans le monde des biocomposites. Alors que la fibre de miscanthus fait l’objet d’un intérêt grandissant pour renforcer les matrices polymère et que des projets sur les biocomposites arrivent à maturité, cette étude anéantit toutes les ambitions. Selon elle, sur le long terme, la culture du miscanthus aurait des effets néfastes sur les sols : la plante drainerait tous les nutriments du sol sur lequel elle pousse sans lui laisser la possibilité de se régénérer. Certes, des doutes ont déjà été émis une dizaine d’années auparavant mais le phénomène ne se déclarant qu’après sept ans de culture (pour des raisons encore inconnues), il était impossible de les vérifier.

Après cette annonce, les principaux investisseurs se retirent des projets en cours et ce, malgré des études ultérieures qui contredisent celle d’AgroParisTech. Aucun d’eux n’est prêt à courir le risque d’un scandale similaire à celui du chlordécone.

Probabilité de réalisation du scénario : 15 %.

V - Conclusion

Plan

Au regard des caractéristiques techniques évoquées dans ce rapport, le miscanthus semble réunir les critères nécessaires pour s’imposer dans domaine des matériaux composites renforcés par des fibres végétales. Le miscanthus est l'une des plantes annuelles possédant le meilleur rendement de biomasse par hectare. Sa culture est simple, exige peu de produits chimiques et, jusqu’à présent, aucune pollution des sols n’a été détectée. En termes de performances, le constat est également satisfaisant. Les matériaux composites à base de fibres de miscanthus testés présentent de meilleures propriétés mécaniques que les composites équivalents à base de chanvre.

Cependant, en dépit des bonnes performances obtenues avec les matériaux renforcés par des fibres de miscanthus, il semble que le marché des biocomposites soit bloqué par les fibres de chanvre et de lin qui en occupent la quasi-totalité. En effet, les fibres de miscanthus sont finalement assez semblables à ces fibres, techniquement et économiquement parlant. Les industriels n'ont donc pas de véritable motivation pour changer leurs habitudes en adoptant les fibres de miscanthus, surtout en France qui est le plus gros producteur européen de lin et de chanvre.

En outre, le haut rendement de la plante la rend très intéressante sur le plan énergétique. La combustion de paille de miscanthus est d’ailleurs l’application la plus répandue aujourd’hui. Des études sur la fabrication de biocarburant à partir de ce végétal sont également en cours.

Néanmoins, si dans les années à venir, une hausse significative de la demande de fibres végétales nécessite l'augmentation de leur production, les fibres de miscanthus seront une option plus que sérieuse.

VI - Bibliographie - Webographie

Plan

MEIRHAEGHE C., BEWA H.   Évaluation de la disponibilité et de l’accessibilité des fibres végétales à usage matériaux en France.   ADEME, mars 2011
Consulter
RAGOUBI M.   Contribution à l’amélioration de la compatibilité interfaciale fibres naturelles/matrice thermoplastique via un traitement sous décharge couronne.   Thèse Université Henri Poincaré Nancy 1, 2010, 186 p.
Consulter
    Le miscanthus.   RMT Biomasse, 2013, 10 p.
Consulter
    Les vertus du miscanthus – herbe à éléphant - pour la protection de l’eau.   NovaBiom
Consulter
MARTOIA F., SAMPSOEN B.   Recyclage des biocomposites, point clef ou propriété secondaire ?   Cerig, 2012
Consulter
OLIVIER P., RIEFER C.   L’utilisation des biopolymères dans l’industrie des emballages papiers complexes et laminés : info ou intox ?   Cerig, 2009
Consulter
    Miscanthus, une plante qui carbure...   INRA, 15 février 2013 (MAJ : 6 novembre 2015)
Consulter
    Miscanthus et switchgrass : quelles opportunités pour ces cultures pérennes ?   Colloque France Miscanthus - RMT Biomasse, 21 mars 2012
Consulter
    Béton de miscanthus.   Vegisole
Consulter
    La DRIEA et les matériaux bio-sourcés, un couple vertueux pour la construction en Ile-de-France.   DRIEA, janvier 2013
Consulter
    Étude sur le secteur et les filières de production des matériaux et produits bio-sourcés utilisés dans la construction (à l'exception du bois).   Nomadéis, août 2012
Consulter
    Cours de fragmentation des solides : broyeur à marteaux.   AZProcédés
Consulter
JACQUET N., VANDERGHEM C., BLECKER C., PAQUOT M.   La steam explosion : application en tant que prétraitement de la matière lignocellulosique.   Université de Liège : BASE, 2010, vol.14, n°2 spécial
Consulter
     
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