Environment and Arable Crops Research Unit 18/11/09 Indicateurs d'impacts agri-environnementaux et leurs applications potentielles aux filières agro-alimentaires Benoît GABRIELLE INRA - AgroParisTech Environment and Arable Crops Research Unit Grignon, France Benoit.Gabrielle@agroparistech.fr Objectifs= présenter les modèles (en fait essentiellement le modèle) développé à Grignon pour simuler les émissions agricoles, et notamment atmosphériques. Situer le contexte (international, français), les objectifs et applications visées. Montrer les principes de simulation, la démarche de modélisation, des résultats issus de différents projets. Perspectives de développement (notamment au niveau atmosphérique). Enfin une partie assez pratique sur l’utilisation du modèle. Questions welcome

Plan de la présentation 18/11/09 Impacts environmentaux: champ et objectifs de l'évaluation Un foisonnement de méthodes disponibles Applications à des systèmes de production et des filières agro-alimentaires Conclusion et pistes de recherche The 'indicator' industry

Le monde comme une bio-raffinerie ? 18/11/09 Recherche de synergies entre la biosphère et la 'technosphère' pour: Fermer les cycles Réduire les déchets ultimes Minimiser les impacts environnementaux négatifs

Affichage environnemental 18/11/09 Note globale Proposition d'étiquetagel en réponse au Grenelle de l'Environnement (Erns & Young, 2009)

Qu'est-ce que la performance environnementale 18/11/09 Un des critères de durabilité des systèmes de production et des filières Se traduit par la recherche d'un impact minimal par 'unité fonctionnelle' du système: Production d'aliments ? Hectare de surface cultivée ? Personne employée ? Autres services rendus ? (eg, paysage, biodiversité)

Effet de la dose d'azote sur blé: existence d'un optimum 18/11/09 Effet de la dose d'azote sur blé: existence d'un optimum Rendement (tonnes/ha) Consommation d'énergie fossile (MJ/tonne de grains) Indicateur de performance: Energie fossile dépensée par tonne de grains produite (Brentrup et al., 2004)

Des pratiques aux impacts 18/11/09 Pratiques Emissions Etats Impacts Fertilisation N Gestion interculture Gestion des déjections animales Santé humaine Eutrophisation Pertes biodiversité Changement climatique Epuisement des ressources fossiles Lessivage NO3 sous racines Emissions NH3, N2O Pollution NO3 des nappes Dépôt atmosphérique d'azote Effet de serre Mentionner l'ensemble des méthodes existant pour évaluer les indicateurs d'impact à différents niveaux (INDIGO, PLANETE, …) - et qu'elles diffèrent par leurs échelles de temps et d'espace prises en compte, la variabilité du milieu, etc... mais qu'elles ont toutes aussi en commun la partie 'cycle de vie'. Diapo: C. Bockstaller

The 'indicator industry' (Y. Rydin, LSE) 18/11/09 CASDAR PLAGE Les méthodes et outils font appel à des modèles plus ou moins complexes et des mesures / expérimentations. Source: F. Vertès, INRA Rennes

A typology based on the systems and functions assessed 18/11/09 Filières/produits: analyse de cycle de vie, empreinte écologique, food-miles Site (dont exploitation agricole): 'Bilan Carbone Budget' (ADEME), PLANETE, DEAG... Parcelle/paysage: indicateurs agri- environmentaux, modèles biophysiques, suivi de variables indicatrices … à combiner en fonctions des objectifs de l'évaluation! Other criteria: types of impacts (global or local), system boundaries,

Analyse de cycle de vie pour des filières 18/11/09 system boundary distribution /storage Agricultural inputs agricultural production conversion Utilisation finale Indicatori =Σj(substance j x factori,j) EnvironNEment Analyse d'incertitudes Interpré- tation Définition du champ et des objectifs de l'étude Inventaire des émissions et extractions Caractérisation des impacts (Norme ISO 14040) Source: C. Bessou

Main purposes of LCA Chain optimization Strategic planning 18/11/09 Chain optimization Detection of 'hot-spots', and mitigation Eco-design Strategic planning Decision support in public policies Marketing (labelling)

Application au secteur agricole 18/11/09 Une large gamme d'impacts environnementaux : Acidification Pollution de l'air CO2 Effet de serre Engrais Pesticides Fumiers, lisiers N2O, CH4, NH3, NO, Pesticides Processus biogéochimiques Sol NO3 P Ecotoxicité Eau Eutrophisation Santé humaine Epuisement des ressources

Plan de la présentation 18/11/09 Impacts environmentaux: champ et objectifs de l'évaluation Un foisonnement de méthodes disponibles Applications à des systèmes de production et des filières agro-alimentaires Conclusion et pistes de recherche The 'indicator' industry

Exemples d'application de l'ACV 18/11/09 Approche 'filières' Filières bio-énergie, bio-matériaux Gestion biologique des déchets (composts de déchets urbains, boues d'épuration, effluents industriels) Filières alimentaires Approche 'incrémentale' Changement de matière active, réponse aux doses d'engrais azoté Approche 'systèmes' Systèmes de cultures (ETH Zürich) Elevage porcin et bovin, aquaculture (INRA Rennes) Utilisation = dans une deuxième partie (plus informelle)

Exemples d'application de l'ACV 18/11/09 Approche 'filières' Filières bio-énergie, bio-matériaux Gestion biologique des déchets (composts de déchets urbains, boues d'épuration, effluents industriels) Filières alimentaires (exemple du pain biologique) Approche 'incrémentale' Changement de matière active, réponse aux doses d'engrais azoté Approche 'systèmes' Systèmes de cultures (ETH Zürich) Elevage porcin (comparaion de scénarios de production porcine) et bovin (filières courtes pour les protéines), aquaculture Utilisation = dans une deuxième partie (plus informelle)

18/11/09 Exemple 1. Production de porc (Basset-Mens et van der Werf, INRA Rennes) 3 scénarios de production: 1. Bonnes Pratiques Agricoles (BPA) (conventionnel) 2. Label Rouge (LR) (« Porc fermier Label Rouge ») 3. Agriculture Biologique (AB) Ainsi nous avons comparés trois modes de production de porc bien contrastés. Le scénario Bonnes Pratiques Agricoles est la version optimisée de la production actuelle sur caillebotis, on peut dire aussi du porc « raisonné » , Le scénario Porc Fermer Label Rouge concerne un porc élevé sur paille, et Le scénario Agriculture Biologique concerne un porc élevé sur paille et qui mange des aliments bio. Pour les trois systèmes nous avons fait l ’hypothèse d ’une conduite raisonnée de la fertilisation des cultures et d ’une alimentation équilibrée. 16

Le système de produit PORC Production d’aliments, production de porc 18/11/09 Atelier 'végétal' Production engrais, machines et pesticides Production soja, tournesol et canne à sucre (outremer) Production betterave et colza (France) Production blé, maïs, orge, pois, et triticale (Bretagne) Production tourteaux, mélasse Production pulpe et tourteaux Production carburant et électricité Production aliments Stockage de lisier Voici une représentation simplifiée du système de produit pour la production de porc comme nous l ’avons défini. Cela commence par la production des intrants pour les cultures. Ensuite la production des cultures entrant dans l’aliment, certains sont transformés, la production des aliments, et la production des animaux. Le lisier sert comme intrant pour les cultures produites en Bretagne. C ’est un schéma simplifié, les processus de transport ont été pris en compte dans les calculs mais ne sont pas représentés dans ce schéma. Pour chacun de ces processus l ’inventaire des ressources utilisés et des émissions de polluants est établi. Pour ce faire, de simples modèles voire des facteurs d ’émissions sont utilisés. Cela veut dire évidemment que des hypothèses sont faites sur par exemple les ITK, les rendements des cultures, la composition des aliments, l ’indice de consommation des porcs etc. Ces calculs ont été faits pour une situation de référence moyenne pour la Bretagne, bon niveau technique, bref une production raisonnée. Vous remarquerez qu ’il ne s ’agit pas d ’une ACV complète puisque nous prenons en compte l ’amont de l ’exploitation mais pas son aval : les étapes transformation du porc, la consommation du produit et la gestion des déchets engendrés. Le système a été divisé en deux parties : les processus liés à la production de l ’aliment (indiqués en vert) et ceux liés à la production des porcs (indiqués en rouge). Les résultats seront présentés pour ces deux parties du système de production. Production ingrédients non-végétales Atelier 'animal' Production carburant et électricité Production de porcelets sevrés Production de porcelets finis Production de charcutiers Truie réformée Charcutier fini Diapo: Hayo van der Werf 17

Résultats d'impacts par ha de SAU 18/11/09 This second graph allowed us to identify more precisely « hot-spots ». It presents the contribution of 6 life cycle stages to environmental impacts. We can see in particular that : For GAP : For eutrophication, crop and feed production contributed for more than 65% and for acidification, pig production contributed for more than 70% and crop and feed production for the rest. But in absolute values, their levels were much more higher. For LR : For climate change : 35% are due to the weaning to slaughtering production relative to 20% for GAP. In other words, the contribution of the WS stage is higher for the LR system For AB : the same observation can be made : 35% of climate change are due to the WS stage. Furthermore, compost production contributed for 40% of acidification and 15% of eutrophication... 18

Impacts normalisés (par kg de viande) 18/11/09 Y = Impact/54,4 kg porc Impact/hab. européen X 100 GAP: Conventionnel RL: Label rouge OA: Biologique 19

Exemple 2: filière pain 1/3 18/11/09 Source: G. Reinhardt Biologique ou non Moûture industrielle ou à la maison Cuisson industrielle, en boulangerie ou à la maison

Consommation d'énergie (MJ/kg pain) 18/11/09 Source: G. Reinhardt Agriculture biologique Cuisson Usine Boulangerie Maison Usine Boulangerie Maison

L'ensemble des impacts Source: G. Reinhardt Effet de serre 18/11/09 Source: G. Reinhardt Effet de serre Couche d'ozone Acidification Eutrophisation Utilisation des terres

Exemple 3: filière courte en alimentation animale 18/11/09 Filière courte Colza Culture de COLZA Pays de Loire, Centre Technologie PEP Ration COLZA PEP 33.3 kg lait/j Intrants Transport Transport Transformation Production Animale Production Végétale Exclusion de la partie production animale sous l’hypothèse qu’il n’y a pas de différence entre les scénarios L’inventaire des émissions et des ressources correspond au système ‘production végétale + transformation’ Ration SOJA Culture de SOJA BRESIL Trituration industrielle 29.6 kg lait/j Intrants Transport Transport Filière longue Soja Comparaison de rations à base de colza produit localement et de soja en bovins laitiers en Pays de Loire Lehuger et al., J. Cleaner Prod., 2009

18/11/09 Comparaison des catégories d’impact pour les différentes rations (pour un kg de lait) Le colza consomme plus d'engrais de synthèse – et l'écart avec le soja n'est pas compensé par les transports transatlantiques.

18/11/09 Contribution des différentes étapes à l’indicateur Acidification pour 1 kg de lait Solution: l'utilisation de l'huile de colza comme carburant permet de rendre la ration 'colza' plus intéressante que la ration 'soja'.

Conclusion on the application of LCA 18/11/09 Le classement des systèmes varie en fonction des impacts considérés. Donc il y a rarement un système optimal. Il y a fréquemment un transfert entre impacts locaux et globaux, et l'utilisation des terres. Les indicateurs sont plus contrastés entre filières agro-alimentaire qu'entre systèmes de production agricoles. Les résultats d'ACV sont peu utilisés comme aide à la décision (mais la certification et l'affichage environnemental ouvrent des perspectives). Malgré ses avantages de principe, la méthodologie souffre d'une série de limites.

Avantages et inconvénients de l'ACV 18/11/09 La méthode ACV est relativement complexe à mettre en oeuvre (de prime abord) Elle comprend un certain nombre d'incertitudes La normalisation des impacts est optionnelle Ne permet pas d'aborder les impacts 'qualitatifs' (eg qualité du sol, biodiversité) Méthode transparente et reproductible Sensible à la gestion (dans la mesure des connaissances sur les émissions!) Relativement complète en ce qui concerne les impacts environnementaux Son utilisation se généralise dans le management envionnemental (industrie, secteurs agricole et agro-alimentaire)

Comment améliorer la fiabilité des ACV 18/11/09 Compilation d’émissions de N2O de différentes cultures, sites, et années climatiques en Allemagne, en fonction de la dose d'engrais azoté. Enveloppe de la relation 'IPCC (1996)' Kaiser et al., 2000 Incertitudes sur les émissions, et leurs variabilités en fonction des facteurs du milieu et des pratiques agricoles (et leurs interactions dans les systèmes de cultures). Egalement citer les relations émissions – impacts (dommages).

Conséquences des incertitudes sur les émissions 18/11/09 Conséquences des incertitudes sur les émissions Cas des émissions de CO2 des biocarburants Carburants fossiles: incertitude  4g CO2eq/MJ Biocarburants  10-40g CO2eq/MJ => due aux émissions de N2O The GHG emissions are dominated by the seed production step, mostly through N2O emissions. This is largely due to the fact that oil seed crops, and particularly rape, require a lot of nitrogen fertiliser. The uncertainty attached to these emissions is also responsible for the large error bars. JRC/EUCAR/CONCAWE 2008

Perspectives sur l'évaluation environnementale (et les filières) 18/11/09 Prendre en compte l'effet des caractéristiques locales sur: Les émissions environmentales (exploitation) Le devenir des polluants (échelle régionale) Application à des systèmes de production plus réalistes (intégrant une composante décisionnelle) Utilisation dans l'éco-conception (ingénierie reverse ?) Combinaison avec des évaluations socio-économiques (et des scénarios de prospective) Comment évaluer des systèmes multi-functionnels ? Transfert des concepts vers les porteurs d'enjeux: Construction de bases de donnés (ouvertes) Développement d'outils de screening simplifiés

Life Cycle Assessment for biofuel (or food) chains 18/11/09 system boundary distribution /storage combustion inputs agricultural production conversion Indicatori =Σj(substance j x factori,j) Uncertainty analysis Interpre- tation Goal and scope definition Inventory of extractions and emissions Impact categories: Global warming Consumption of non-renewable ressources Eutrophication of ecosystems Air quality (ozone) Toxicity, ecotoxicity .... Impact assessment