Agriculture et biocarburants Généralités et recherches menées à l’INRA

Présentation au sujet: "Agriculture et biocarburants Généralités et recherches menées à l’INRA"— Transcription de la présentation:

1 Agriculture et biocarburants Généralités et recherches menées à l’INRA
Fête de la Science Amiens – 17/11/09 F. Ferchaud, H. Boizard , S. Cadoux et B. Mary Unité Agro-Impact

2 Sommaire Présentation de l’INRA et de l’unité Agro-Impact
Le contexte : climat, énergie, alimentation et environnement Les biocarburants : de la 1ère à la 2ème génération Travaux de recherche menés à l’INRA sur la biomasse pour les biocarburants de 2ème génération

3 Présentation de l’INRA

4 L’Institut National de la Recherche Agronomique
Trois champs d’intervention majeurs... Agriculture - Alimentation - Environnement 1. le développement d’une agriculture durable 2. l’alimentation et son rôle sur la santé humaine 3. l’environnement et les territoires

5 Organisation nationale
21 centre de recherches régionaux 150 implantations sur tout le territoire Environ 8500 Agents

6 Le centre de Lille >> Création en 1976
>> Le Centre de Lille, c’est : > 3 régions > 5 sites > 180 personnes Nord – Pas de Calais Villeneuve d’Ascq Technologie alimentaire Administratif Arras Analyse des sols Champagne Ardenne Picardie Estrées-Mons Génétique et amélioration des plantes Agronomie Domaine expérimental (163 ha) Reims Fractionnement des Agro-ressources Laon Agronomie

7 L’unité Agro-Impact 2 sites : Laon et Estrées-Mons
Composée de 24 agents titulaires dont 8 chercheurs et ingénieurs, et de 7 agents contractuels dont 3 bourses de thèse Activité principale : recherche finalisée sur les impacts environnementaux relatifs aux cycles du carbone et de l'azote en lien avec les pratiques agricoles Nos missions : Évaluer les impacts environnementaux en lien avec les pratiques culturales Améliorer les connaissances sur les cultures énergétiques

8 Le contexte

9 Le contexte global Défi énergétique :
diminution des réserves fossiles Défi climatique : +2°C à +6°C en 2100 (GIEC 2007) Biocarburants Défi environnemental : impacts environnentaux (globaux et locaux) Défi alimentaire : compétition “food / non food”

10 L’effet de serre CO2 CH4 N2O Sources : Defipourlaterre.org
Manicore.com

11 Évolution des concentrations en GES dans l’atmosphère terrestre
Méthane (CH4) Protoxyde d’azote (N2O) Dioxyde de carbone (CO2) Source : GIEC 2007

12 Émissions de GES par secteur d’activité en France

13 Le changement climatique : observations
Source : GIEC 2007

14 Le changement climatique : prévisions
Scénarios d’évolution du climat jusqu’en 2100 Source : GIEC 2007

15 Évolution de la consommation énergétique mondiale
Millions de tep Source : manicore.com

16 La diminution des réserves fossiles
La fin du pétrole, c’est pour quand ? De fortes incertitudes… … mais des réserves loin d’être inépuisables. Source : manicore.com

17 Trois axes majeurs pour inverser la tendance
Économiser l’énergie fossile (= le plus efficace) Développer les énergies renouvelables Stocker le carbone (reforestation, pratiques agricoles, stockage géologique…) … MAIS pas de solution unique ou miracle !

18 Agriculture : le défi de l’alimentation
Augmentation de la population mondiale : 6,3 milliards en 2003, près de 9 milliards en 2050 Évolution des régimes alimentaires Consommation alimentaire par habitant en 2003 : Pays de l’OCDE Pays d’Asie Source : Prospective Agrimonde (INRA-CIRAD)

19 Agriculture : le défi environnemental
Grenelle Environnement : « développer une agriculture à haute performance environnementale » Exemples d’objectifs : Réduire de 50 % l’usage de produits phytosanitaires d’ici 2012 Réduire les pertes de nitrates pour limiter les impacts négatifs sur les écosystèmes Échouage d’algues vertes en Bretagne

20 Les biocarburants : De la 1ère à la 2ème génération

21 Les énergies renouvelables
Hydraulique et énergie des marées Éolien Solaire thermique ou photovoltaïque Géothermie et pompes à chaleurs Biomasse

22 La Biomasse et ses débouchés énergétiques
Définition : ensemble de la matière organique végétale et animale Débouchés énergétiques : Biocarburants Biogaz (méthanisation) Chaleur (combustion) Électricité + Chaleur (co-génération) Définition des biocarburants (JO 22 juillet 2007) : Carburants constitués de dérivés industriels tels que les gaz, alcools, éthers, huiles et esters obtenus après transformation de produits d’origine végétale ou animale.

23 La biomasse comme source de carbone renouvelable
Pluie Azote de l’air Rayonnement solaire CO2 Eau Éléments minéraux (N, P, K, …) 23

24 La biomasse comme source de carbone renouvelable
Besoin de raisonner sur l’ensemble de la filière : analyses de cycle de vie (ACV)

25 Pourquoi les biocarburants en France ?
Le secteur des transports est le premier secteur émetteur de gaz à effet de serre en France : réduire les émissions de gaz à effet de serre Le secteur des transports dépend à plus de 98% du pétrole, un secteur en expansion (km parcouru et nombre de véhicules) : réduire les dépendances vis-à-vis des pays producteurs de pétrole Le secteur du transport à besoin d’un carburant liquide : trouver rapidement un produit de substitution

26 Les biocarburants de première génération : les filières de production
Source : IFP Ex des BC

27 Les biocarburants de 1ère génération
Part dans la consommation d’énergie primaire en France Source : DGEMP

28 Limites des biocarburants de 1ère génération
Des surfaces requises importantes Des bilans énergétiques et environnementaux mitigés Rendements (t/ha) Biocarburants produit (tep/ha) Betterave 70 6.13 Blé 7.2 2.04 Colza 2.9 1.18 Tournesol 2.2 0.96 Nécessité de développer des recherches pour améliorer ces bilans Source : ADEME / E. Poitrat

29 Vers les biocarburants de deuxième génération
Utiliser toute la plante : transformer l’ensemble du végétal et/ou valoriser des co-produits (pailles…) Élargir le choix des plantes candidates pour trouver des espèces : Productives Adaptées à différentes conditions pédoclimatiques Permettant d’améliorer les bilans environnementaux Optimiser les pratiques culturales en fonction du milieu et pour concilier production et impacts environnementaux 29

30 La Lignocellulose Du macro ... Niveaux d’intégration ... au nano
[≈ 50 %] Lignine [≈ 20–30 %] Hémicellulose Bois Fibre Cellule Paroi Paroi secondaire Macrofibrilles Bois, cultures et résidus lignocellulosiques Niveaux d’intégration Glucose Paroi primaire Lamelle moyenne Microfibrilles Source : Cormeau et Gosse 2007

31 Les biocarburants de deuxième génération : les filières de production
Source : IFP Ces technologies sont en cours de développement dans les laboratoires et les premiers pilotes industriels (ex. : projet Futurol). Déploiement à l’échelle industrielle envisagé à l’horizon 2015 Notion de valorisation plante entière

32 La ressource lignocellulosique
Cultures annuelles Cultures pérennes forestières Résidus de récolte Cultures pérennes agricoles © INRA © AFOCEL © ITEBE Exemple du sorgho Exemple du miscanthus © INRA/A.Gavaland Exemple des TCR de peupliers © Bioforêt Exemple des pailles et des plaquettes forestières Coproduits des biocarburants G1 Algues Agroforesterie Résidus urbains Exemple des photoréacteurs © INRA Exemple des cultures associées peupliers/céréales © Greenfuel Tech Corp © ORTH s.a. © USICA Exemples des cagettes et des palettes Exemple des pulpes de betterave © Bioprodukte Prof. Steinberg GmbH © Ecologie.gouv Cormeau et Gosse 2007

33 Quelles ressources pour la production de biocarburants 2G ?
Les recherches sur les plantes dédiées

34 Pourquoi des recherches sur les cultures dédiées ?
Les divers coproduits et résidus constituent une ressource limitée : besoin de cultures dédiées en complément Recherche de systèmes productifs avec peu d’intrants Azote : faible exportation d’azote par rapport à la biomasse produite ou fixation d’azote atmosphérique (légumineuses) Phytosanitaires : cultures rustiques Intérêt d’un large panel d’espèces pour : s’adapter aux contraintes pédoclimatiques satisfaire les différents débouchés faciliter l’insertion dans les systèmes agricoles actuels

35 Exemples d’espèces annuelles
Triticale (Triticosecale Wittmack) Sorgho (Sorghum bicolor (L.) Moench) © INRA - Lille © INRA - Lille Plante C3 Issue croisement entre blé et seigle Plante C4 Plusieurs types (grain, fibre, sucre)

36 Exemples d’espèces pluriannuelles
Luzerne (Medicago sativa L.) Fétuque (Festuca arundinacea) Pérennité 3 à 5 ans Plantes C3 © INRA - Lille © INRA - Lille Légumineuse : pas d’apports d’azote

37 Exemples d’espèces pérennes
Espèces herbacées Switchgrass (Panicum virgatum L.) Miscanthus (Miscanthus giganteus) © INRA - Lille © INRA - Lille A voir si on supprime des infos Plantes pérennes C (10-20 ans) Origine USA Origine Asie

38 Exemples d’espèces pérennes
Espèces ligneuses TCR TtCR Plantes pérennes (10-20 ans) © INRA © INRA - Lille Récoltes tous les 7 à 10 ans Récoltes tous les 2 à 3 ans

39 Comparer le comportement des différentes espèces sur le long terme
Le dispositif « Biomasse et Environnement » implanté en 2006 à Estrées-Mons (80) © INRA - Lille

40 Comparer le comportement des différentes espèces sur le long terme
Résultats du dispositif « Biomasse et Environnement » d’Estrées-Mons (2007 et 2008 = années 2 et 3) (rapport projet REGIX 2008 )

41 Étudier le comportement des plantes face aux stress hydriques et azotés
Sensibilité des espèces dédiées aux stress hydriques et azotés ( D’après Cherney et al et Heaton et al. 2004)

42 Étudier les caractéristiques de la biomasse produite
Composition biochimique (projet REGIX, 2007, non publié)

43 Quels impacts environnementaux ?
Les recherches sur les impacts de la production de biomasse

44 Évaluation des impacts environnementaux
Du local au global Impacts locaux : ressource en eau, qualité de l’eau (nitrates…), qualité du sol (teneur en matière organique…), etc. Impacts globaux : bilans énergétiques et bilans GES Par la quantification des flux de polluants CO2 ATMOSPHERE Intrants : - Azote - Carburants - Phyto … N2O NH3, NOX … CO2 Stock de carbone organique SOL NO3-

45 Acquérir des références sur des dispositifs expérimentaux à long terme
Ex. : suivi en continu des émissions de N2O (Estrées-Mons) © INRA - Lille Résultats préliminaires Miscanthus fertilisé Flux cumulés de N2O (g N ha-1) non fertilisé © INRA - Lille 2008

46 Mettre au point des modèles pour évaluer différents scénarios
Ex. : impact de l’exportation des pailles sur les stocks de carbone organique dans le département de l’Aisne Simulations sur 50 ans avec le modèle AMG et à partir d’une base de données de parcelles agricoles du département + 0,7 % - 1,6 % - 4,4 % ≈ t/an (Projet Cartopaille, 2006)

47 Perspectives concernant les recherches sur les impacts environnementaux
Intérêt potentiel des cultures dédiées pérennes pour les bilan de GES et les autres impacts environnementaux Faible consommation d’intrants (azote, phyto …) Stockage de carbone organique (par rapport aux cultures annuelles) ? Nécessité de mieux quantifier l’impact du choix des espèces, des pratiques culturales et des conditions locales de production Expérimentation au champ Modélisation Ces connaissances devront être intégrées dans les évaluations globales de filières (Analyses de Cycle de Vie)

48 Conclusion générale et perspectives
La biomasse : une contribution au panel des énergies renouvelables Vers une 2ème génération de biocarburants : diminuer la pression sur les surfaces et améliorer les bilans énergétiques et GES Des enjeux pour la recherche finalisée : Conversion de la biomasse : mettre au point des procédés viables à l’échelle industrielle Production de la biomasse : définir des systèmes de culture adaptés et optimisés (production, environnement, qualité), organiser les bassins de production Évaluation globale des filières (ACV)

49 FIN… …Des questions ?

50 Le changement climatique : prévisions

51 Le changement climatique : prévisions
Évolutions régionalisées pour le scénario B2 en France (changements entre la période et ) °C mm/j Températures en été Précipitations en été Source : Perarnaud et al. 2005

52 Les biocarburants de 1ère génération
Production et répartition mondiale en 2007 ETHANOL: 52 GL en 2007 (38.2 GL in 2006) BIODIESEL: 10 GL en 2007 (6.2 GL in 2006) Source : F.O. Lichts In FAO, 2008

53 ACV et bilan de GES des biocarburants
(FAO, 2008)

54 ACV et bilan de GES des biocarburants

55 Gain net des émissions des gaz à effet de serre (GES) pour différentes filières de biocarburants
Tonne de CO2 évitée par hectare Canne à sucre avec et (sans) bagasse 8.7 (3.9) G1 ou G2 ? Betterave 5.6 Blé 2.2 Tournesol 1.9 Colza 1.6 D’après G. Gosse Calculés à partir de "Well-to-Wheels analysis of future automotive fuels and powertrains in the European context", WTW Report, Version 2c, March 2007

56 Importance de la partie agricole dans les émissions de GES
Le CO2 émis pendant la combustion des plantes n’est pas pris en compte mais les étapes de production consomment de l’énergie fossile et émettent des GES Etude ADEME/DIREME 2002

57 Conséquences pour la production
de biocarburants Les surfaces disponibles seront un facteur limitant prépondérant pour le développement des biocarburants Les filières devront répondre à de fortes exigences Bilans énergétiques et gaz à effet de serre (GES) positifs Faibles impacts environnementaux à l’échelle locale Faisabilité technique et économique Vers de nouvelles filières pour les biocarburant 2G Élargir l’assiette de la biomasse mobilisable (co-produits….) Utiliser toute la plante pour augmenter la productivité par ha Élargir le choix des plantes candidates pour trouver des espèces productives, adaptées à différentes conditions pédoclimatiques et permettant d’améliorer les bilans environnementaux

58 Les cultures lignocellulosiques
Annuelles Céréales à paille : triticale, blé, seigle… Plantes à fibre : chanvre, kénaf, lin… Annuelles d’été : Sorghos, maïs Pluriannuelles Graminées fourragères : fétuque, ray-grass, brome… Légumineuses : luzerne… Pérennes Roseaux : phalaris, phragmite Herbacées : canne de Provence Taillis à courte rotation : saule, peuplier, robinier… miscanthus, switchgrass…

59 Dispositif « Biomasse & Environnement » d’Estrées-Mons
- Bilans d’azote sol-plante - Flux de nitrates - Stockage de C et N - Flux de N2O - Productivité aérienne et impact des stress - Consommation en eau

60 Production potentielle des espèces dédiées
Exemple à Estrées-Mons (80) C 4 C 3 35 t.ha-1 légumineuses 22 t.ha-1 14 t.ha-1 sorgho miscanthus luzerne (D’après Gosse et al. 1986)

61 Étudier le comportement des plantes face aux stress hydriques et azotés
Source : Vandendriessche 2007

62 Étudier le comportement des plantes face aux stress hydriques et azotés
Impact du stress hydrique sur la production du miscanthus (production simulée pour une récolte en vert) Irrigué (production potentielle) Non irrigué (stress hydrique) (Clifton-Brown et al. 2004)

63 Émissions de protoxyde d’azote (N2O)
Origine des émissions de N2O ATMOSPHERE Activité microbienne et diffusion des gaz dans le sol SOL Azote minéral dans le sol Conditions du milieu (O2, humidité, température, pH, C organique …) D’après Firestone & David (1989) et Khalil (2005)

64 Émissions de protoxyde d’azote (N2O)
Impact de la fertilisation et du type de culture Émissions moyennes annuelles de N2O (2 années de suivi en Allemagne) : En non fertilisé : émissions faibles pour toutes les cultures Avec fertilisation : émissions cultures annuelles > émissions TCR Meilleure utilisation de l’azote par les TCR ? (Kavdir et al., 2008)

65 Émissions de protoxyde d’azote (N2O)
Impact de la fertilisation et du type de culture Émissions cumulées de N2O mesurées entre avril et novembre 1995 au Danemark : Miscanthus non fertilisé : faibles émissions de N2O Avec fertilisation : émissions miscanthus > émissions seigle Sur-fertilisation pour miscanthus ? Conditions plus favorables à la dénitrification sous miscanthus ? (Jørgensen et al.., 1997)

66 Stock de carbone organique
Stockage/déstockage du carbone du sol Quel niveau d’équilibre entre apports de carbone organique et minéralisation ? CO2 ATMOSPHERE CO2 CO2 minéralisation Quantité et qualité de la biomasse restituée Chute des feuilles Résidus de récolte Travail du sol Conditions pédoclimatiques (température, humidité …) SOL Stock de carbone organique Renouvellement racinaire rhizodépositions

67 Stockage/déstockage du carbone du sol
Changements d’usage des sols et stock de carbone Cultures annuelles / prairies ou forêts Variations de stock C (T/ha) (Arrouays et al., 2002 – valeurs modales pour le territoire français)

68 Stockage/déstockage du carbone du sol
Cas de l’implantation d’espèces pérennes A partir de cultures annuelles / de prairies Évolution du stock de carbone en fonction du nombre d’années après implantation. Résultats de plusieurs expérimentations en Europe ou aux USA : Post-cultures Post-prairie (Garten et Wullscleger, 1999 ; Jug et al., 1999 ; Ma et al., 2000 ; Kahle et al., 2001 ; Frank et al., 2004 ; Hanson et al., 2004 ; Clifton-Brown et al., 2007)

69 Quelles conséquences sur les exploitations agricoles et territoires ?
Les recherches sur l’insertion de ces nouveaux systèmes de culture

70 Des questions à différents niveaux
Conditions d’insertion dans les exploitations agricoles Économie de l’exploitation Consentement à produire Conditions d’insertion dans les territoires Quelle réorganisation des territoires agricoles ? Impacts à l’échelle du paysage : biodiversité… Conséquences pour l’approvisionnement des usines Concevoir des modèles d’approvisionnement intégrant les multiples contraintes

71 Quelle réorganisation des territoires agricoles
Quelle réorganisation des territoires agricoles ? travaux débutant dans le cadre du projet Futurol (INRA SAD Mirecourt) Comment seront localisées les cultures énergétiques (en particulier les cultures pérennes) dans les territoires agricoles ? Comprendre le raisonnement technique à l’échelle de l’exploitation : critères de choix… Intégrer les contraintes territoriales : logistiques d’approvisionnement, contraintes réglementaires… Production d’un modèle de localisation permettant une évaluation ex ante de l’impact sur les territoires Parcellaire … changeant Contraintes … multiples (énergie, biodiversité, esthétique du paysage …)