Retour au sol ou méthanisation agricole : quelle est la stratégie de gestion de la biomasse la plus efficace pour atténuer les émissions de CO2 ?

Abstract

La méthanisation de la biomasse d’une part et la séquestration accrue de carbone dans les sols grâce à l’enfouissement direct de la biomasse d’autre part sont deux leviers majeurs mobilisables en agriculture pour atténuer les émissions de gaz à effet de serre (GES). Cependant, ces deux usages sont en partie antagonistes car ils s’appuient sur l’utilisation d’un même gisement de biomasse disponible en quantité limitée et localisée. Une compétition d’usage pour cette ressource risque d’apparaître, a fortiori dans un contexte de développement concomitant de ces deux voies. Cette thèse vise à comparer en termes d’émissions nettes de GES et de stockage de carbone dans les sols, la méthanisation vs. l’enfouissement direct des biomasses agricoles (effluents d’élevage, résidus de culture, cultures intermédiaires) et des boues d’assainissement à l’échelle nationale de la France. Pour répondre à cet objectif, nous avons mis au point un modèle spatialement explicite de bilan de GES couplant un modèle de méthanisation (SYS-Metha) – simulant la production de biogaz et de digestat à partir des substrats entrant – à un modèle agronomique pour simuler la dynamique du carbone dans les sols agricoles (AMG). Pour chacune des deux voies nous avons considéré les émissions nettes de GES (positives, négatives ou évitées) allant de la mobilisation des substrats jusqu’à la valorisation agronomique de la biomasse (produits bruts ou digestats) et la valorisation énergétique du biogaz produit. Chaque poste d’émission a été estimé par simulation ou en utilisant les références disponibles dans la littérature. Les résultats obtenus montrent que le potentiel de production de biométhane en France est de l’ordre de 64.1 TWh/an et est majoritairement localisé dans les régions d’élevage. Il pourrait être augmenté jusqu’à 108.7 TWh/an – notamment dans les régions orientées grandes cultures – en généralisant les cultures intermédiaires au sein des systèmes de culture français. Du fait de contraintes stoechiométriques relatives au procédé de méthanisation (rapport C/N et teneur en eau des substrats), une large quantité de résidus de culture ne pourrait être exploitée, principalement dans les régions de grandes cultures. Cette thèse démontre par ailleurs que la méthanisation permet d’atténuer davantage les émissions de GES que l’enfouissement des biomasses agricoles si plusieurs conditions sont réunies (limitation des fuites, injection du biogaz plutôt que cogénération). Cette atténuation est principalement permise par la substitution du biogaz à des sources d’énergies fossiles et à la réduction des émissions au stockage des effluents d’élevage. Comparée à l’enfouissement des biomasses, la production et l’injection directe dans le réseau gaz de biométhane permettrait d’abattre les émissions de GES de 10.8 Mt CO2 éq/an à l’échelle française, soit 2.6 % des émissions nationales. Cette valeur s’élèverait à 17.1 Mt CO2 éq/an (4.1 % des émissions nationales) si les cultures intermédiaires étaient généralisées. Dans le contexte français, la cogénération aurait de moindres performances du fait d’un mix électrique très décarboné, a fortiori si la chaleur n’est pas valorisée. Nous avons aussi démontré que l’atténuation des émissions de CH4 par les méthaniseurs était le principal déterminant de leur bilan GES (émissions fugitives du digesteur, couverture des digestats durant leur stockage et récupération du biogaz résiduel). Enfin, nous avons trouvé que l'application aux sols de digestats par rapport à la biomasse non digérée diminuait la quantité de carbone stabilisée à long terme dans la matière organique du sol. Néanmoins, ce différentiel de stockage de carbone tend vers zéro au-delà de 30 ans, tandis que la méthanisation présente l’avantage de générer de façon indéterminée des effets de substitution vis-à-vis des énergies fossiles. Cette thèse apporte des références pour éclairer la décision publique afin de réduire les émissions de GES nationales. [...]