III. Résultats et discussion
III.4. Discussion sur les points d’incertitudes
Au cours de cette étude, nous avons vu que certains éléments des cycles de vie portent de fortes incertitudes et leurs modifications pourraient amener à des conclusions différentes. Les principaux points incertains et considérés comme potentiellement impactants sont présentés dans cette partie.
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Nous avons vu que le modèle de la filière de méthanisation réalisé n’intègre pas dans ses frontières les infrastructures (engins agricoles compris) ainsi qu’un potentiel changement d’affectation des terres dû à son implantation. En première approximation, ces éléments et les impacts qu’ils génèrent peuvent être considérés comme négligeables principalement du fait d’un temps d’amortissement long. Cependant, cette hypothèse est à l’origine d’une faiblesse majeure du modèle puisque les comparaisons réalisées avec les procédés de la base de données EcoInvent, dans lesquels les infrastructures sont modélisées, sont des comparaisons où les frontières sont à géométries variables. La catégorie d’impact qui serait principalement touchée est le potentiel de déplétion des ressources fossiles. Dans les cas où les scénarios Métha sont plus impactants que les scénarios de références, ajouter cet élément ne ferait que creuser l’écart et ne modifierait pas les conclusions. Mais lorsque les scénarios Métha sont moins impactants ou lorsque les substitutions réalisées inversent le positionnement des scénarios sur cette catégorie, un retour à la modélisation est nécessaire.
La valeur fertilisante des co-produits obtenus en sortie du digesteur et des étapes de compostage n’a pas été considérée dans cette étude de la multifonctionnalité de la filière de méthanisation. Du fait de la difficulté à évaluer la réelle valeur fertilisante d’un digestat issu de la dégradation d’un gisement principalement d’origine industrielle et de l’incertitude du devenir du compost des déchets frais sur le territoire (scénario D.réf), les substitutions à des engrais chimiques n’ont pas été prises en compte. Considérer cette autre co-fonction de la filière de méthanisation, qui est l’un de ses atouts, aurait potentiellement un impact favorable sur le potentiel de déplétion des ressources fossiles.
La construction du scénario D.réf, où la totalité du gisement de déchets organique industriels est traitée par une filière d’incinération, est discutable. L’incinération relève d’une valorisation énergétique et constitue l’ultime filière de valorisation des déchets, notamment pour des déchets organiques. Augmenter la part du gisement envoyée en compostage, où une valorisation matière est possible en sortie de procédé, et orienter les tourteaux de tournesols vers une filière d’alimentation animale pourrait être pertinent dans une modélisation ultérieure affinée.
Nous avons vu aussi que le compostage du digestat est le principal poste polluant de la filière de méthanisation. D’après le modèle réalisé, cette voie de valorisation est plus impactante que l’épandage direct (en prenant comme référence la tonne de digestat entrante). Le bilan environnemental de la filière de méthanisation pourrait être amélioré si la totalité du digestat était épandu directement. Cependant, la masse de digestat orientée vers chaque filière de valorisation est définie par la masse d’azote que l’exploitation agricole enquêtée par Akajoule peut recevoir sur ses terres. Augmenter la masse orientée en épandage direct ne peut donc être réalisé sans solliciter d’autres agriculteurs, potentiellement plus éloignés que l’exploitation déjà sollicitée, ce qui augmentera les distances de transport.
Finalement, l’optimisation de la collecte des déchets (impactant sur les ressources), la réduction du taux de fuite de biogaz du digesteur (impactant sur le GWP et le Smog), l’amélioration du modèle de combustion des gaz en chaudière vers une combustion plus complète ou avec un traitement des fumées (impactant sur le GWP et le Smog), sont tous des paramètres qui pourraient être des leviers d’amélioration du bilan environnemental de la filière modélisée.
Ces éléments illustrent la démarche itérative de la méthode ACV où de nombreux progrès sont toujours nécessaires, tant au niveau de la construction des scénarios que de la production de données d'inventaire.
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Conclusion et perspectives
L’ACV est un outil de plus en plus reconnu pour l’évaluation des impacts des nouveaux systèmes énergétiques et des systèmes de traitement et de valorisation de déchets. La méthodologie se heurte cependant à certaines limites dans les cas de l’évaluation de systèmes multifonctionnels où l’obtention de co-produit et la réalisation de co-fonction doivent être prises en compte. En effet, afin de déterminer la charge environnementale du produit ou de la fonction principale étudié, la gestion des co-produits ou co-fonctions additionnels amène à avancer de fortes hypothèses, notamment sur le choix des filières alternatives substituées. La gestion des produits et des co-fonctions entraîne aussi la manipulation d’impacts dits « évités ».
La filière de méthanisation, qui est un système multifonctionnel, a été étudiée ici et un modèle a été développé selon deux fonctions principales : une fonction de traitement et de valorisation de déchets (scénario Métha.D) et une fonction de production locale d’énergie renouvelable (scénario Métha.E). Dans chacun des cas, les co-produits et co-fonctions ont été substitués et chaque scénario a été comparé à un scénario de référence répondant à la même unité fonctionnelle.
La prise en compte de la multifonctionnalité des scénarios de méthanisation, réalisée en intégrant dans les résultats ACV les impacts évités dus aux filières considérées comme substituées, a montré certaines tendances. La filière de méthanisation est tout d’abord nettement plus impactante que les scénarios de référence sur les catégories d’eutrophisation et d’acidification des milieux, que les impacts évités soient pris en compte ou non. L’analyse du bilan environnemental de la filière de méthanisation modélisée a montré que c’est l’étape de compostage du digestat (notamment par les émissions d’ammoniac) qui est responsable de ce résultat. Les impacts évités sur les catégories de création d’ozone photochimique et de déplétion des ressources fossiles modifient le positionnement des scénarios Métha.D et Métha.E en faveur de l’unité de méthanisation. Nous avons vu entre autre que la substitution du co-produit biométhane du scénario Métha.D par une énergie fossile inverse radicalement les résultats au bénéfice de la méthanisation.
Concernant la catégorie de changement climatique, la prise en compte des impacts évités dans les comparaisons a des conséquences différentes suivant la fonction donnée à la méthanisation. Les substitutions desservent Métha.D tandis qu’elles rendent le scénario Métha.E comparable par rapport à leur scénario respectif de référence. Cependant, l’étude du bilan environnemental de la filière de méthanisation a montré que les émissions de CO2 dit biogénique ont une part de responsabilité importante sur les résultats de cette catégorie d’impact. En distinguant ces émissions lors des comparaisons, le positionnement du scénario Métha.D change et celui-ci peut être considéré comme moins impactant par rapport à son scénario de référence.
L’analyse du bilan environnemental de la filière de méthanisation a permis de déterminer plusieurs points d’amélioration. Par exemple, la voie de valorisation du digestat par compostage ne semble pas être la plus favorable au vue de ses résultats sur les catégories d’acidification et d’eutrophisation des milieux. De plus, l’influence de la prise en compte de la valeur fertilisante des matières organiques issues des différentes filières serait intéressante à analyser.
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Au vu des conclusions réalisées et dans le cas du territoire étudié, la méthanisation est une filière dont l’intérêt environnemental réside dans sa multifonctionnalité et la production de co-produits de qualité. Elle peut en effet servir à produire de l’énergie renouvelable, mais elle traitera automatiquement des déchets organiques et, dépendant de leur qualité, produira des substituts à des fertilisants minéraux.
L’étude ACV positionne la filière du point de vue de ses impacts potentiels sur l’environnement. La pertinence de l’implantation d’une filière de méthanisation dépend cependant fortement des caractéristiques locales et de la volonté des politiques publiques à développer cette filière. Ces projets allient finalement différents acteurs et génèrent des coopérations au sein d’un même territoire dont les intérêts socio-économiques peuvent dépasser l’intérêt environnemental.
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Site web consultés :
Développé par l’ADEME, ce site réunit toutes les données sur les déchets du territoire français.: Base de donnée Système d’INformation et d’Observation de l’Environnement.
http://www.sinoe.org/index
Solagro, fiches techniques « Biogaz – Méthanisation »
I
Annexes
Annexe 1 : Le processus de méthanisation ... II Annexe 2 : Typologie des unités de méthanisation en France... III Annexe 3 : Règles d'affectation des charges environnementales entre produits et co-fonctions ... IV Annexe 4 : Définition des catégories d'impacts étudiées ... VI Annexe 5 : Plan principal de la modélisation du scénario Métha sous GaBi ... VII Annexe 6 : Facteurs d’émissions appliqués aux étapes de stockage, de compostage et
d’épandage de matières organiques ... X Annexe 7 : Procédés de 1er et d'arrière-plan du scénario Métha ... XI Annexe 8 : Résultats complémentaires du bilan environnemental du scénario Métha ... XII Annexe 9: Bilan environnemental du scénario D.réf... XIII Annexe 10 : Bilan environnemental du scénario E.réf ... XVI
II
Annexe 1 : Le processus de méthanisation
En absence d’oxygène, la dégradation de la matière organique aboutit à la production de CO2
et de CH4. La digestion anaérobie est un processus biochimique complexe qui a été décrit par de nombreux auteurs. Le schéma réactionnel largement accepté actuellement est celui développé par Bryant (1979). Ce modèle présenté en Figure 26 se décompose en en trois étapes principales :
- La première étape comporte l’hydrolyse et l’acidogénèse. Elle consiste en la solubilisation et l’hydrolyse des macromolécules de la matière organique et aboutissant à la production d’acide gras volatiles (notamment en acide acétique),
- La seconde étape est l'acétogénèse. L’acide propionique et les acides à chaînes plus longues sont attaqués par les bactéries acétogènes, producteurs obligés d’hydrogène,
- Enfin, la troisième étape est la méthanogénèse. Les bactéries méthanogènes interviennent pour produire du méthane, soit par décarboxylation de l’acétate, soit par réduction du CO2.
Figure 26 : Schéma réactionnel de la rédaction anaérobie
Trois plages de températures de fonctionnement du digesteur permettent de distinguer trois grandes classes de bactéries ou de consortium bactérien : les bactéries psychrophiles (15-25°C), mésophiles (30-40°C) et thermophile (50-65°C).
- les bactéries mésophiles (30-40°C), sont utilisées dans la quasi-totalité des digesteurs en existant en France ;
- les bactéries thermophiles agissent à des températures plus élevées (50-65°C). Leur utilisation reste rare, mais commence à se développer, notamment dans les installations de très grande puissance ;
- les bactéries psychrophiles agissent à température ambiante (15-25°C). Ce sont les responsables de la méthanisation naturelle qui se produit, notamment, dans les marais. La méthanisation psychrophile est encore très peu répandue.
III
Annexe 2 : Typologie des unités de méthanisation en France
* TBM : traitement mécano-biologique
Méthanisation à la ferme Méthanisation territoriale Méthanisation TMB*
Porteurs de projet Un ou plusieurs exploitants agricoles Multiple (profession agricole / industriel / collectivité territoriale) Collectivités, SICTOM Puissance électrique
moyenne ≤ 500 kWe 1,3 MWe 1,6 MWe
Substrat principal Effluents et déchets agricoles Variable, dépend des partenaires
Fraction fermentescible des ordures ménagère obtenues suite à des tries
successifs des ordures ménagères
tMB/an pour une
installation 7 500 40 000 67 000
Unités opérationnelles
(août 2014) 138 18 12
STEP Urbaine STEP Industrielle Gaz de décharge, ISDND
Porteurs de projet Collectivité
IAA, industrie chimique, pharmaceutique, production de biocarburants…
Collectivité Puissance électrique
moyenne 645 kWe ? 1,2 MWe
Substrat principal Eaux usées de station
d’épuration Dépend de l’industrie
Déchets non dangereux enfouis
tMB/an pour une
installation ? ? ?
Unités opérationnelles
IV
Annexe 3 : Règles d'affectation des charges environnementales
entre co-produits et co-fonctions
La règle d’extension du système (ou substitution) a été développée dans le rapport. Les autres règles usuellement utilisées pour gérer les co-produits ou co-fonctions sont ici présentées. Comme la substitution, la subdivision est une méthode permettant d’éviter de réaliser des allocations de charges environnementales entre les co-produits. Nous commencerons par celle-ci puis nous détaillerons les règles l’allocation.
· La subdivision
La subdivision des procédés consiste à essayer de découper les étapes du procédé en plusieurs systèmes afin de n’affecter au produit étudié que ses propres charges et émissions. Les sous-processus indépendants à l’un des co-produits ne sont alors pas pris en compte dans le système à analyser. La Figure 27 illustre cette méthode : lors de l’ACV du produit A, seuls les processus P1, P2 et P3 avec les émissions, déchets et ressources associés sont pris en compte. Lorsque les co-produits sont issus d’un même procédé, l’ILCD propose de réaliser une « subdivision virtuelle » basée sur les relations quantitatives existant entre les co-produits (cette méthode se rapproche de l’affectation physique détaillée plus bas).
Cependant, pour certains systèmes où les flux de matière sont difficiles à suivre (changements de phase, variations de concentration d’éléments), il peut être compliqué d’appliquer cette méthode. Par ailleurs, d’autres systèmes peuvent générer des co-produits considérés comme indissociables et subdiviser le système ne reflètera pas la réalité. On parle alors de système/procédé « indivisible ». Dans le cas de la méthanisation, il y aura toujours un biogaz et un digestat en sortie d’un méthaniseur. Subdiviser le processus reviendrait ainsi à ne plus prendre en compte les impacts potentiels du co-produit qui sera de toute façon produit selon des proportions fixées par le mix de substrats.
V · Les règles d’allocation
Il existe plusieurs règles d’affectation possibles qui reposent toutes sur le même principe : affecter à chaque produit un coefficient permettant de lui attribuer une partie de la charge environnementale de l’ensemble des procédés situés en amont du point de division (étape qui génère deux flux distincts amenant à deux produits différents). Cependant, ces règles sont peu utilisées pour répartir les impacts environnementaux des co-produits d’une unité de méthanisation, nous ferons juste un bref rappel de celles-ci.
Allocation par relation physique
Les facteurs d’allocation sont ici déterminés selon un paramètre physique. Celui-ci peut être la masse, la quantité d’énergie que le produit contient (pouvoir calorifique inférieur), la teneur en protéine… Cette règle est cependant difficilement applicable à une unité de méthanisation vue la nature très différente des produits obtenus et services rendus. Une allocation énergétique est difficilement réalisable puisque le digestat n’a pas vocation à fournir de l’énergie, une allocation suivant la masse d’azote véhiculée par les phases n’est pas non plus pertinente puisque le biogaz n’en contient pas.
Allocation à partir de la valeur économique
A la place de paramètres physiques, c’est ici le prix du marché des co-produits qui va déterminer les coefficients d’allocation. Concernant les systèmes de méthanisation, il est actuellement difficile de fixer un prix pour les digestats ou pour les produits issus des digestats puisqu’ils ne sont pas encore réellement commercialisés sur le marché français. Il est aussi discutable de donner un prix aux matières entrant dans une filière de méthanisation puisque les intrants seraient alors considérés comme des produits et non comme des résidus (effluents et déchets), les cultures énergétiques étant l’exception.
VI
Annexe 4 : Définition des catégories d'impacts étudiées
Les définitions suivantes proviennent en grande partie de l’ouvrage « Analyse du Cycle de Vie, comprendre et réaliser un écobilan » de Olivier JOLLIET.
Epuisement des ressources : Epuisement des ressources minérales et fossiles dû à une activité anthropique trop importante.
Acidification (terrestre) : Phénomène naturel qui s’est amplifiés au cours des dernières années par augmentation de certains polluants atmosphériques (NOx et SO2 essentiellement). Cet effet se traduit par une perte d’éléments minéraux nutritifs pour les arbres et la végétation.
Eutrophisation : Enrichissement excessif d’un milieu terrestre ou aquatique (notamment si les eaux sont stagnantes ou à circulation réduites) en éléments nutritifs (azote, phosphore, et matière organique pour le milieu aquatique). En milieu aquatique, cet enrichissement peut provoquer un développement surabondant de biomasse végétale dont la décomposition ultérieur consomme, en partie ou en totalité, l’oxygène dissous dans l’eau et réduit la biodiversité du milieu aquatique.
Changement climatique : Modification des équilibres climatiques, et notamment du phénomène naturel d’effet de serre, due à l’augmentation d’origine anthropogène de certains gaz dits « à effet de serre » dans l’atmosphère. Les principales substances en cause sont le CO2, le CH4, le N2O, les CFC, le CF4 ou le SF6. Forçage radiatif et durée de vie.
Toxicité : Catégorie d’impact représentant les effets toxiques de substances sur l’être humain. La méthode CML 2001 ne différencie pas les effets toxiques cancérigène et non cancérigène.
Ecotoxicité : Toxicité vis-à-vis des organismes vivants, l’homme étant exclu. La méthode