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

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

Présentation de l’INRA

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

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

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

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

Le contexte

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”

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

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

Émissions de GES par secteur d’activité en France

Le changement climatique : observations Source : GIEC 2007

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

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

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

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 !

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)

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

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

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

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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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)

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

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 C4 (10-20 ans) Origine USA Origine Asie

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

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

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 )

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. 1991 et Heaton et al. 2004)

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

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

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-

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

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 % ≈ 220 000 t/an (Projet Cartopaille, 2006)

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)

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)

FIN… …Des questions ?

Le changement climatique : prévisions

Le changement climatique : prévisions Évolutions régionalisées pour le scénario B2 en France (changements entre la période 2070-2099 et 1960-1989) °C mm/j Températures en été Précipitations en été Source : Perarnaud et al. 2005

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

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

ACV et bilan de GES des biocarburants

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

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

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

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…

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

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)

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

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)

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)

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)

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)

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

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)

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)

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

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

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 …)