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Journée Biomasse ASPROM B. Gabrielle Mars 2013 1
L'évaluation environnementale des filières bioénergie
Benoît GABRIELLE
INRA - AgroParisTech Unité Mixte de Recherche Environnement et Grandes
CulturesThiverval-Grignon, France
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Journée Biomasse ASPROM B. Gabrielle Mars 2013 2
Plan de la présentation
• Une exigence de performance environnementale
• Quels critères et quelle métriques?• Application aux filières bioénergie• Conclusion et défis futurs
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Journée Biomasse ASPROM B. Gabrielle Mars 2013 3
Une contribution majeure à la transition énergétique
Développements de la bioénergie (gauche) et de l'énergie solaire (droite) pour respecter des contraintes climatiques croissantes d'ici 2050 (IPCC, 2011).
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Journée Biomasse ASPROM B. Gabrielle Mars 2013 4
Carbone renouvelable
Défi climatique : +2°C à +6°C en 2100 (GIEC 2007)
Défi énergétique :diminution des réserves
fossiles
Défi alimentaire :compétition “food / non food”
Défi environnemental :impacts environnentaux
(globaux et locaux)
La biomasse au carrefour de nombreux enjeux
Défis socio-économiques:développement des
territoires, création de valeur ajoutée en Europe
Diapo: H. Boizard (INRA Laon-Mons)
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Journée Biomasse ASPROM B. Gabrielle Mars 2013 6
Un faisceau croissant de contraintes
• Performance environnementale élevée
• Faibles impacts sur la biodiversité, la ressource en eau et en terre
• Pas d'interférences négatives avec la production de biens alimentaires
• Co-bénéfices (limiter l'érosion des sols, création d'emplois, revenus)
• Acceptabilité sociale
• Competitivité avec les autres formes d'énergie
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Mesures contraignantesRE Directive au niveau EuropéenRenewable Fuel Standards 2 (USA)Mesures Nationales en Allemagne, GB, NL
Initiatives volontairesRoundtable on Sustainable Biofuels (RSB)Roundtable on Sustainable Palm Oil (RSPO)WWF InternationalForest Stewardship Council and Programme for the
Endorsement of Forest Certification .....
Ces schémas incluent une gamme de critères environmentaux, économiques et sociaux, et s’appliquent à une grande variétés de produits finis
Une expression dans les schémas de certification
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Plan de la présentation
• Une exigence de performance environnementale
• Quelles métriques pour la durabilité ? • Les filières bioénergie: des résultats très
variables• Conclusion et défis futurs
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Evaluer une filière ou un territoire ?
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Life Cycle Assessment (LCA) for bioenergy chainsLife Cycle Assessment (LCA) for bioenergy chains
Goal and scope Goal and scope definitiondefinition
Inventory of Inventory of extractions and extractions and
emissionsemissions
Impact assessmentImpact assessment
Uncertaintyanalysis
Interpre-tation
Agricultural inputs
agricultural production conversiondistribution/storage combustion
system boundary
IndicatorIndicatori i ==ΣΣjj(substance(substance j j xx factor factori,ji,j))
Source: C. Bessou
(ISO standards 14040)
Environment
Impact categories:Impact categories:- Global warmingGlobal warming- Consumption of non-renewable Consumption of non-renewable
ressourcesressources- Eutrophication of ecosystemsEutrophication of ecosystems- Air quality (ozone)Air quality (ozone)- Toxicity, ecotoxicityToxicity, ecotoxicity- .... ....
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Les défis posés par l'évaluation des filières bioénergie
Variabilité des rendementset des émissions
Variabilité des pratiques culturales, des redements et des émissions
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Une large gamme de composés à mesurer
CO2
Water bodies
NO3
P
Fertilizers PesticidesManure
SoilSoil organicmatter
N2O, CH4,
NH3, NO,Pesticides
Eutrophication
Global warming
Air pollution
Pesticides,Trace contaminants
Acidification
Human health
Ecotoxicity
Depletion of resources
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Comment appréhender la variabilité des émissions de N
2O
Gabrielle et al., Global Biogeochem. Cycles, 2006.
Simulation of N2O emissions from wheat
crops in the Beauce region of France
(fluxes in kg N2O-N/ha/yr).
Emission factors range from 0.1 to 0.3%
[ IPCC (2006) recommends 1%;
Crutzen et al. (2008) suggest 3 to 5 % ]
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Plan de la présentation
• Une exigence de performance environnementale
• Quelles métriques pour la durabilité ? • Les filières bioénergie: des grandes
tendances mais des résultats très variables• Conclusion et défis futurs
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Journée Biomasse ASPROM B. Gabrielle Mars 2013 18
Bénéfices globaux contre dommages locaux
Use of fossil fuels
Global warming
Acidification
Eutrophication
Ozone
Human toxicity
Comparaison de l'éthanol et de l'essence en Europe (Reinhardt, 2000)
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Des économies de GES plus marquées pour chaleur/électricité
IPCC, 2011
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Journée Biomasse ASPROM B. Gabrielle Mars 2013 20
De fortes incertitudes pour les biocarburants
Economies de GES des biocarburants par rapport à leurs équivalents fossiles. Souce: IEA, 2008.
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Journée Biomasse ASPROM B. Gabrielle Mars 2013 21
Methodological assumptions:
• Choice of impact metrics and characterization
• Definition of systems boundaries
• Handling of by-products
Quality of input data: representativity, precision,
transparency
• Feedstock production and emissions (eg N2O)
• Logistics and industrial processing
• Context (eg, power production: average mix or
marginal) 28.06.2009Hamburg
Case studies: M&M Results & perspectives 21/24
Sources of discrepancies across LCA studies
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Allocation vs. system expansion for by-products
Process
Energie
Matière première
Emissions to air Emissions to water bodies
Product
Co-product
New system for comparison with alternative solutions
Système intial
Source: S. His, IFPEN
Effet du traitement des co-produitsEmissions de GES relatives pour l'éthanol de blé en France
Substitution w/
French elec.
mix
Mass-based allocation Energy-
based allocation
Source: Référentiel pour les ACV des biocarburants de première génération en France, BioIS/ADEME, 2008.
Substitution w/
Wood-based power
Préconisation de la directive RED
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Journée Biomasse ASPROM B. Gabrielle Mars 2013 24
L'incertitude n'est pas symétrique
Uncertainty in the GHG emissions of biofuels
Fossil fuelsuncertainty≈ 4g CO2eq/MJ
Biofuelsuncertainty≈ 10-40g CO2eq/MJ=> due to N2O
JRC/EUCAR/CONCAWE 2008
Source: C. Bessou (2009)
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Journée Biomasse ASPROM B. Gabrielle Mars 2013 25
Quels effets
sur l'usage des sols ?
Le développement de la biomasse risque d'induire une tension sur la disponibilité en terres agricoles pour produire des aliments et de l'énergie. Quels seront les ajustements nécessaires ?
Déforestation ?
Augmentation des rendements? ?
Changements de régime alimentaire ?
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Journée Biomasse ASPROM B. Gabrielle Mars 2013 26
Un champ de recherche émergent
Source: De Cara et al. (2012)
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Intérêt du miscanthus Pertes de nitrates vers les eaux
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20
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jul 93
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jul 94
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jul 97
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jul 99
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jul 00
mg
NO
3-N
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N 0 N 75 N 150
Norme de potabilité
Une réduction de 50 kg N/ha/an par rapport à une céréale
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Journée Biomasse ASPROM B. Gabrielle Mars 2013 28
Les bioénergies peuvent générer des externalités positives
Fossile ressources Global warming
AcidificationEutrophication
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
MiscanthusSugarbeetGasoline
Re
lativ
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pact
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Impacts cycle de vie de bioéthanol et d'essence.Source: Bessou (2009)
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Journée Biomasse ASPROM B. Gabrielle Mars 2013 29
Intérêt de l'eucalyptus pour la chaleur
Impacts ACV comparés entre une production de chaleur à partir de sources fossiles ou de taillis d'eucalyptus en courte rotation (Gabrielle, Nguyen The et al., 2012)
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Journée Biomasse ASPROM B. Gabrielle Mars 2013 30
Conclusion• La production de biomasse est contrainte par de nombreux facteurs
physiques et économiques (ressource en terres), et par les critères de durabilité (économies de GES, biodiversité, acceptabilité sociale).
• L'évaluation des projets de bioénergie se généralise et un certain nombre de lignes directrices sont disponibles (par exemple la directive RED).
• Quelques tendances se dessinent (arbitrages impacts locaux/globaux, électricité/chaleur plus performants que carburants, 2G vs 1G...)
• Mais il reste un certain nombre d'inconnues en termes d'externalités positives ou négatives (biodiversité, eau, changements d'usage directs et indirects).
• Le bassin d'approvisionnement est l'échelle-clé pour améliorer les évaluations environnementales et la performance des projets.
• La co-construction entre les opérateurs économiques et les parties prenantes de ces bassins est souhaitable pour le succès (et la durabilité) des projets bioénergie (actions du réseau Carnot 3BCar).
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Bibliographie
• BioIS; ADEME; MEDAD; MAP; ONIGC & IFPEN Elaboration d’un référentiel méthodologique pour la réalisation d’Analyses de Cycle de Vie appliquées aux biocarburants de première génération en France BioIntelligence Service, Paris, 2008
• Bessou, C. Emissions de gaz à effet de serre des biocarburants : amélioration des Analyses de Cycle de Vie par la prise en compte des facteurs de production locaux. Thèse de Doctorat ABIES, AgroParistech, 2009.
• De Cara, S.; Goussebaïle, A.; Grateau, R.; Levert, F.; Quinemer, J. & Vermont, B. REVUE CRITIQUE DES ETUDES EVALUANT L’EFFET DES CHANGEMENTS D’AFFECTATION DES SOLS SUR LES BILANS ENVIRONNEMENTAUX DES BIOCARBURANTS. ADEME, 2012.
• Edenhofer, O. et al (ed.) IPCC Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation. Summary for Policymakers. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 2011.
• Gabrielle, B.; Laville, P.; Duval, O.; Nicoullaud, B.; Germon, J. C. & Hénault, C. Process-based modeling of nitrous oxide emissions from wheat-cropped soils at the sub-regional scale Global Biogeochemical Cycles, 2006, 20, GB4018
• Gabrielle, B.; Nguyen The, N.; Maupu, P. & Vial, E. Life-cycle assessment of eucalyptus short-rotation coppices for bioenergy production in Southern France. GCB Bioenergy, 2013, 5, 30-42
• Jorgensen, U. Zhu, Z.; K.Minami & Xing, G. (ed.) Impacts of human-disturbed nitrogen cycling on ecosystem and environment. Proc. 3rd International Nitrogen Conference, Nanjing, China, October 2004. How to reduce nitrate leaching by production of perennial energy crops 2004, 513-518.
• Reinhardt, G. Bio-energy for Europe. Which ones fit best? Rapport final du projet BioFit, IFEU, Heidelberg, 2000.
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Merci pour votre attention