Évaluation des émissions de gaz à effet de serre dans les bâtiments d'élevage bovins au moyen de mesures de leurs concentrations

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Évaluation des émissions de gaz à effet de serre dans les

bâtiments d’élevage bovins au moyen de mesures de

leurs concentrations

Amandine Durpoix

To cite this version:

Amandine Durpoix. Évaluation des émissions de gaz à effet de serre dans les bâtiments d’élevage bovins au moyen de mesures de leurs concentrations. 2011. �hal-02811019�

E

VALUATION DES EMISSIONS DE GAZ A EFFET

DE SERRE DANS LES BATIMENTS D

’

ELEVAGE

BOVINS AU MOYEN DE MESURES DE LEURS

CONCENTRATIONS

Rapport

Bourse d’expérimentation 2010 – 2011

BOURSIERE D’EXPERIMENTATION :AMANDINE DURPOIX

ENCADRANT:JEAN-LOUIS FIORELLI

INRA SAD – Unité ASTER 662 Avenue Louis Buffet

3

SOMMAIRE

RESUME ... 1

TABLE DES SIGLES ET DES ABREVIATIONS... 3

INTRODUCTION... 5

PARTIE 1 : CONTEXTE DE L’ETUDE ... 6

I. LES EMISSIONS DE GES : UN QUESTIONNEMENT GRANDISSANT ... 6

I.1.L’EFFET DE SERRE : UN PHENOMENE NATUREL AMPLIFIE PAR L’ACTIVITE HUMAINE... 6

I.2.LES GES DANS LE MONDE, EN EUROPE, ET EN FRANCE... 6

I.3.LE ROLE DE L’AGRICULTURE... 7

I.3.1. Les gaz à effet de serre agricoles ... 7

I.3.1.1. D’un point de vue mondial ... 7

I.3.1.2. D’un point de vue national ... 7

I.3.2. L’origine des gaz à effet de serre agricoles et de l’ammoniac ... 8

I.3.2.1. Origine des trois gaz à effet de serre agricoles... 8

I.3.2.2. Les émissions de gaz à effet de serre en élevage: CH4 et N2O ... 8

I.3.2.3. L’ammoniac ... 9

II. LES DIFFERENTS ENGAGEMENTS DE REDUCTION DES EMISSIONS ... 9

II.1.ENGAGEMENTS INTERNATIONAUX... 9

II.2.ENGAGEMENTS FRANÇAIS... 10

II.3.LE PROTOCOLE DE GÖTEBORG CONCERNANT LE NH3... 11

III. LES EMISSIONS DE GES ET D’AMMONIAC EN BATIMENTS BOVINS ... 11

III.1.LES FACTEURS D’EMISSIONS... 11

III.1.1 Le méthane ... 11

III.1.2 Le protoxyde d’azote ... 13

III.1.3 L’ammoniac... 13

III.2.LES FACTEURS INFLUENÇANT LES EMISSIONS... 13

PARTIE 2 : QUANTIFICATION DES EMISSIONS DE GES ET DE NH3 EN BATIMENT D’ELEVAGE BOVIN ... 14

I. ESTIMATION DES EMISSIONS AVEC DES BILANS DE MASSE ET DES RAPPORTS DE CONCENTRATION ... 14

II. MISE EN ŒUVRE DE LA METHODE SIMPLIFIEE... 16

II.1.MESURES DES CONCENTRATIONS DE GAZ A L’INTERIEUR ET A L’EXTERIEUR DU BATIMENT... 16

II.1.1. Matériel de mesures... 16

II.1.1.1. Le matériel de prélèvement... 16

II.1.1.2. Les thermo-hygromètres ... 16

II.1.1.3. L’analyseur INNOVA ® 1412... 16

II.1.2. Prélèvement d’air afin d’avoir les concentrations de gaz à l’intérieur et à l’extérieur des bâtiments... 17

II.2.DONNEES NECESSAIRES AU CALCUL DU BILAN DE MASSE... 17

II.2.1. Bilan de masse ... 17

II.2.2 Caractérisation des effluents ... 18

III. ESTIMATION DES EMISSIONS DE GES ET DE NH3... 19

III.1.SUR L’EXPLOITATION AGRICOLE DE L’INRA DE MIRECOURT... 19

III.2.SUR UNE EXPLOITATION AGRICOLE COMMERCIALE... 20

PARTIE 3 : RESULTATS ... 21

I. LES PRELEVEMENTS D’AIR SUR L’INSTALLATION EXPERIMENTALE DE L’UNITE ASTER DE MIRECOURT ... 21

I.1.PRELEVEMENTS DANS LE BATIMENT DES VACHES LAITIERES... 21

I.1.1. Le parcours lors des prélèvements... 21

I.1.2. Les heures de prélèvements... 22

I.2.1. Le parcours lors des prélèvements... 23

I.2.2. Les heures de prélèvements... 24

I.2.3. Les autres données ... 24

I.4.RECAPITULATIF DES PRELEVEMENTS EFFECTUES... 24

I.4.1. Le bâtiment des vaches laitières... 24

I.4.2. Le bâtiment des génisses ... 25

II. LES CONDITIONS A VERIFIER POUR L’EVALUATION DES EMISSIONS ... 25

II.1.VALIDATION DES DONNEES DE CONCENTRATION... 25

II.2.VALIDATION DES CONDITIONS D’ENTHALPIE... 26

III. PONDERATION AFIN D’OBTENIR UNE EMISSION JOURNALIERE... 26

IV. DES EMISSIONS JOURNALIERES AUX EMISSIONS D’UN HIVER ... 27

IV.1.CALCUL DE LA « PERTE C » ... 27

IV.2.LES EMISSIONS DANS LE BATIMENT DES VACHES LAITIERES... 27

IV.3.LES EMISSIONS DANS LE BATIMENT DES GENISSES... 28

IV.4.LES EMISSIONS DES SYSTEMES... 30

IV. SIMPLIFICATION DE LA METHODE POUR LA REALISER DANS D’AUTRES EXPLOITATIONS AGRICOLES... 33

PARTIE 4 : DISCUSSION... 34

I. LES CONDITIONS DE PRELEVEMENTS... 34

II. DES QUANTITES DE DEJECTIONS PRODUITES PLUS IMPORTANTES QUE LES REFERENCES POUR LES VL... 34

III. EVALUATION DES EMISSIONS DE PROTOXYDE D’AZOTE ET D’AMMONIAC... 34

IV. COMPARAISON DES EMISSIONS CALCULEES A CELLES DE LA LITTERATURE ... 35

V COMPARAISON DES EMISSIONS DES DEUX SYSTEMES D’ELEVAGE... 36

CONCLUSION... 37

BIBLIOGRAPHIE ... 38

TABLE DES ILLUSTRATIONS... 42

1

Résumé

Titre : Evaluation des émissions de Gaz à Effet de Serre (GES) et d’ammoniac dans les bâtiments d’élevage bovins de l’IE de Mirecourt

Mots clés : émissions de GES, CH4, N2O, CO2, NH3, PRG, méthode simplifiée, bâtiment bovins, IE de Mirecourt, prélèvement.

L’agriculture est le deuxième secteur émetteur de GES, après les transports en France. En effet 21% des émissions françaises de GES émanent de l’agriculture (CITEPA, 2008), la moitié de ces émissions provient de l’élevage. Les GES d’origine agricole sont les suivants ; le méthane (CH4), le

protoxyde d’azote (N2O) et le dioxyde de carbone (CO2). Ces trois gaz ne contribuent pas tous à la

même hauteur à l’effet de serre. Effectivement, certains ont un pouvoir de réchauffement plus important que d’autres, et/ou une durée de vie dans l’atmosphère plus longue ; la contribution de chaque gaz à l’effet de serre se mesure grâce au Pouvoir de Réchauffement Global (PRG), qui permet de quantifier sa contribution à l’effet de serre comparativement à celle du CO2. Le PRG du

CH4 est de 21 CO2e (équivalent CO2), et celui du N2O de 310 CO2e. Sur ces 21% d’émissions de

GES par l’agriculture, 43% sont émis par le CH4 entérique, 21% par les déjections que ce soit en

bâtiment ou lors de leur stockage et traitement, 13% par les intrants, puis à hauteur de 8% chacun les apports azotés et l’énergie directe et, pour finir, le pâturage via les déjections et les émissions entériques qui contribuent à 7% des émissions agricoles françaises (CITEPA, 2008). Ces gaz sont émis en différent poste sur une exploitation agricole ; par les animaux directement pour le méthane entérique, par les déjections en bâtiment et au pâturage, par les effluents au stockage, ou encore la fertilisation azotée des couverts végétaux…

D’autre part, l’ammoniac (NH3) n’est pas un GES, mais il est important de le prendre en compte

afin que les solutions qui pourraient être mis en place suite à ces mesures ne favorisent pas son émission. Par ailleurs, l’ammoniac est un gaz très volatil, les retombées atmosphériques de ce gaz provoquant des dérèglements dans le fonctionnement des écosystèmes. Il est donc pris en compte dans le protocole de Göteborg actuellement en révision.

Les bâtiments d’élevage bovin sont donc une source non négligeable d’émissions de GES et de NH3. La variété des types de bâtiments, de déjections et de stockages en élevage bovin amène à distinguer plusieurs situations où la quantité et la nature des gaz émis seront différentes dès leur production en bâtiment, et lors de leur gestion, du stockage à l’épandage. L’IE de Mirecourt est constituée de deux troupeaux, dont la conduite, le mode de logement et donc la nature et la gestion des effluents diffèrent. Ceci permet d’évaluer les émissions de deux systèmes contrastés, conduits tous les deux en AB.

La méthode simplifiée ACTA-INRA de mesures de GES en bâtiment élaborée par l’Institut de l’Elevage, l’IFIP et l’INRA permet d’évaluer les émissions en utilisant la méthode des rapports de concentration développée par Paillat et al (2005), nécessitant (seulement) de mesurer les concentrations intérieures et extérieures des gaz, et de calculer les pertes de carbone à l’aide de bilans.

L’évaluation des émissions de GES dans le bâtiment des vaches laitières s’est déroulée durant deux hivers (2009 – 2010 et 2010 – 2011), 13 journées de prélèvements permettent de calculer les facteurs d’émissions pour le méthane, le protoxyde d’azote et l’ammoniac.

2

En système, « logette – lisier » (dans la typologie de l’Institut de l’Elevage), une vache laitière du Système Herbager (soit une UGB) émets 87 kg de C-CH4, 0.15 kg de N-N2O et 1.35 kg de N-NH3 par

an, alors qu’en « Litière Accumulée Fumier », une UGB du Système de PolyCulture Elevage, émettrait 293 kg de C-CH4, 0.51 kg de N-N2O et 7 kg de N-NH3 par an.

Concernant les génisses, les deux systèmes sont logés en « Litière Accumulée Fumier », cependant les matériaux de paillage diffèrent par le pourcentage de paille et de foin.

Les émissions pour les génisses sont donc comprises entre 94 et 112 kg de C-CH4, et entre 0.71 et

1.30 kg de N-N2O par an.

Afin de prendre en considération l’intégralité des systèmes pour cette évaluation des émissions, l’ensemble des bâtiments de stockage devrait être pris en compte, tout comme la nurserie.

3

Table des Sigles et des Abréviations

ADL : Acid Detergent Lignin

C : Carbone

CITEPA : Centre Interprofessionnel Technique d’Etude de la Pollution Atmosphérique

CCNUCC : Convention Cadre des Nations Unies sur les Changements Climatiques

CH

: Méthane

CO

: Dioxyde de Carbone

COV :

FAO : Food and Agriculture Organization

E

: Emissions de carbone sous forme de CO

EC-CH4

: Emissions de carbone sous forme de CH

EN-N2O

: Emissions de carbone sous forme de N

O

EN-NH3

: Emissions de carbone sous forme de NH

EE : Extrait Ethéré

GES : Gaz à Effet de Serre

GIEC :

GPV : Gain de Poids Vif

H

O : Vapeur d’eau

HFC :

IPCC :

MO : Matière Organique MS : Matière Sèche

MSI : Matière Sèche Ingérée N2 : Diazote

N

O :

NH

: Ammoniac

4

PNAQ :

PFC :

P2O5 : Anhydride phosphate PL : Production laitière

PL4% : équivalent PL pour un TB de 40 g/kg

PNLCC :

Q

: la quantité de carbone ingérée

Q

: la quantité de carbone apporté en bâtiment par la paille

Q

: la quantité de carbone utilisé par la vache pour la production de lait

Q

: la quantité de carbone utilisée pour la gestation

Q

: la quantité de carbone dans les déjections sortant du bâtiment.

SF6 :

UNFCCC : United Nations Framework Convention on Climate Change

UTCF : Utilisation des terres, leurs changements et la forêt

5

Introduction

La France, par le protocole de Kyoto s’est engagée à stabiliser ces émissions de gaz à effet de serre en 2012, par rapport à celles de 1990. Les émissions mondiales du secteur agricole représentent 15 % de ces émissions (WRI, 2005) et les émissions françaises de ce secteur représentent 21% des émissions nationales (CITEPA, 2010).

Cette forte contribution de l’agriculture est du à trois gaz en particulier ; le protoxyde d’azote (N2O) émit par les sols cultivés, les déjections en bâtiment, au stockage, et à

l’épandage, le méthane (CH4) provenant de la fermentation entérique et des déjections, et le

dioxyde de carbone (CO2) émit lors de la combustion d’énergie fossile.

L’ammoniac, gaz volatil, émit principalement par l’agriculture est pris en compte dans les protocoles internationales de pollutions atmosphériques à longue distance.

L’établissement de référence sur ces gaz s’avère compliqué, car les émissions sont diffuses et difficiles à mesurer.

Des facteurs d’émissions fondés sur la typologie des élevages et des types d’effluents à l’échelle mondiale ont été retenus par le Groupe Intergouvernemental sur l’Evolution du Climat (GIEC) afin d’évaluer les émissions de ce secteur.

Cependant, ces typologies ne correspondent pas aux situations d’élevage français, dans lequel l’utilisation de la paille et la production de fumier sont généralisées, comme en Lorraine. Une méthodologie proposée par Brachet (2007) et Dollé (2009) évalue les émissions dans les bâtiments d’élevage à l’aide les concentrations intérieures et extérieures de ces gaz. Pour la validation de cette méthode, des expertises ont été réalisées dans l’Ouest de la France.

Cette étude a pour objectif d’évaluer les émissions de gaz à effet de serre dans les bâtiments bovins à l’aide de cette méthode. L’expérimentation a lieu sur l’installation expérimentale (IE) de l’unité INRA de Mirecourt (88). Les émissions des deux systèmes présents sur l’IE, n’ayant pas le même mode de logement, sont évaluées durant la période hivernale.

Dans une première partie, le contexte de l’étude est clarifié en apportant des précisions sur l’effet de serre et l’importance de l’agriculture dans ce phénomène, tout en faisant une synthèse bibliographique des facteurs d’émissions connus. Ensuite, en partie II, la méthode d’évaluation des GES, ainsi que le matériel nécessaire sont détaillés. La partie III développe les résultats obtenus dans le bâtiment des vaches laitières et des génisses pour les deux systèmes. De plus, la simplification de la méthode au vue de son exportabilité dans des fermes commerciales est également abordé. Enfin, la IVème partie apporte les critiques du dispositif et les conclusions de cette étude.

Figure 1 : Evolution des concentration des GES dans l’atmosphère (FAO, 2006)

6

Partie 1 : Contexte de l’étude

I. Les émissions de GES : un questionnement grandissant

I.1. L’effet de serre : un phénomène naturel amplifié par l’activité humaine

L’effet de serre est un phénomène naturel indispensable au développement de la vie sur Terre.

Il permet de maintenir une température moyenne à la surface de la Terre de 15°C grâce à la rétention de chaleur dans la couche inférieure de l’atmosphère due à l’absorption et à la réémission par les nuages et certains gaz, à savoir la vapeur d’eau, le dioxyde de carbone, le méthane, le protoxyde d’azote et les chlorofluorocarbones.

Comme le montre la figure 1, les émissions anthropiques ont conduit à une augmentation de la concentration des GES dans l’atmosphère.

Le dioxyde de carbone, émis par la combustion d’énergie fossile, la déforestation et l’activité industrielle a longtemps été considéré comme le seul responsable de cette augmentation de concentration. Sa concentration est d’ailleurs beaucoup plus importante que les autres gaz, émis principalement par l’agriculture.

L’analyse du climat à l’aide des carottes glaciaires montre une corrélation entre les concentrations de GES et l’accroissement de la température (figure2) (FAO, 2006).

I.2. Les GES dans le monde, en Europe, et en France

Depuis l’époque pré-industrielle, les émissions de gaz à effet de serre imputables aux activités humaines n’ont cessé d’augmenter. Les origines de ces émissions sont diverses. En 2004, le secteur le plus émetteur est l’approvisionnement énergétique (25.9%), suivi par l’industrie (19.4%). Il faut cependant faire attention à ces proportions, qui sectorisent les émissions. En effet, 1.4% des émissions (WRI, 2005) attribués au secteur « énergie » pourrait être ajoutés au 13.5% du secteur « agriculture », correspondant à l’utilisation de combustible (figure 3).

L’Union Européenne (à 27) est responsable de 11.4% des émissions mondiales de GES en 2007, soit 4638.1 Mt Co2eq (Agence européenne pour l’environnement, 2009). La majorité

des gaz proviennent du secteur de l’énergie (pour 79%), l’agriculture occupant la deuxième place des secteurs émetteurs de GES, avec 9% des émissions européennes, soit 462.1 Mt Co2eq. Les émissions de GES européennes ont baissé de 11.3 % de 1990 à 2007, ceci étant

dû à la diminution des émissions du CO2 (- 286 Mt Co2eq), du CH4 (- 185 Mt Co2eq) et du N2O

(- 139 Mt Co2eq). Tous les secteurs ont diminué leurs émissions, mais le secteur « déchets »

a particulièrement amoindri ses émissions (- 34%) (Agence européenne pour l’environnement, 2009).

La France a observé les mêmes diminutions d’émissions de GES, entre 1990 et 2007, de l’ordre de 12%, du fait de la baisse des émissions de CO2 (- 30 Mt Co2eq) et de N2O (- 29 Mt

Co2eq). Cette réduction provient essentiellement des processus industriels (- 27%) et du

secteur UTCF pour lequel la séquestration du carbone a augmenté de 84% (Agence européenne pour l’environnement, 2009). Ce qui signifie que la France émet toujours 10% des émissions

Figure 3 : Emissions mondiales des gaz à effet de serre anthropiques (IPCC, 2007)

7

européennes, mais émet 63.7 Mt Co2eq de moins en 2007 par rapport à 1990, soit 458.9 Mt Co2eq (Agence européenne pour l’environnement, 2009).

I.3.Le rôle de l’agriculture

I.3.1. Les gaz à effet de serre agricoles I.3.1.1. D’un point de vue mondial

L’agriculture, responsable de 15 % (WRI, 2005) des émissions mondiales de GES, émet principalement trois gaz, du N2O pour 46%, du CH4 pour 45% et du CO2 pour seulement 9%,

comme le montre la figure 4.

Le GIEC distingue 5 postes d’émissions de gaz à effet de serre pour l’agriculture Gaborit et al, 2006) :

- la fermentation entérique (sous forme de CH4) ; - la gestion des déjections (CH4 et N2O) ;

- la culture de riz (CH4) ; - les émissions des sols (N2O) ;

- le brûlage sur site des déchets agricoles (CO2).

I.3.1.2. D’un point de vue national

Les émissions de Gaz à Effet de Serre d’origine agricole représentent 21% des émissions totales françaises (CITEPA, 2010), répartis à parité entre l’élevage et les cultures. D’après la figure 5, les émissions de méthane agricole représentent 80% des émissions de méthane françaises, celle de protoxyde d’azote 85% et 3% du dioxyde de carbone émis en France provient de l’agriculture (figure5).

Figure 5 : Les émissions de gaz à effet de serre en France et dans le secteur agricole en 208 (CITEPA, 2009)

Figure 6 : The main greenhouse emissions sources/removals and processes in managed ecosystems (GIEC, 2001)

8

I.3.2. L’origine des gaz à effet de serre agricoles et de l’ammoniac I.3.2.1. Origine des trois gaz à effet de serre agricoles

Le méthane d’origine agricole provient de plusieurs sources. En effet, les écosystèmes biologiques dans les milieux anaérobies sont les principaux émetteurs. Il s’agit des cultures de riz, de la fermentation entérique des ruminants et des effluents d’élevage. (IPCC, 2006). Une grande partie des émissions de N2O proviennent des sols où il est produit par alternance

de conditions de nitrification et de dénitrification. A ceci s’ajoutent les émissions via la fertilisation minérale et organique. L’extraction de la matière première et la fabrication des fertilisants sont également très polluants en CO2 et en N2O (IPCC, 2006) (figure 6).

Les émissions de CO2 agricoles sont faibles contrairement aux deux autres gaz, et résultent

de la combustion d’énergie fossile. Les émissions de CO2 relatives à la respiration des

animaux et des plantes ne sont pas considérées comme une émission de GES anthropique (FAO, 2006) au sens du protocole de Kyoto. Ces émissions sont intégrées à un cycle biologique rapide (Brachet, 2007).

CO2 CH4 N2O

Emissions en Mt Co2eq 11 43 55

Tableau 1 : Les Emissions de gaz à effet de serre par l’agriculture française en 2008 (CITEPA, 2009)

I.3.2.2. Les émissions de gaz à effet de serre en élevage: CH4 et N2O Les sources de ces deux gaz se résument, concernant l’élevage, à la fermentation entérique et aux effluents d’élevage.

Par rapport aux 43 Mt Co2eq de CH4 agricole émis en 2008, 54% proviennent de la

fermentation entérique et 25% de la gestion des effluents (CITEPA, 2009). Concernant le N2O

Figure 7 : Répartition française des émissions de méthane et de protoxyde d’azote (réalisé à partir des données CITEPA/RapportCCNUCC/Mars 2011)

9

I.3.2.3. L’ammoniac

L’ammoniac n’est pas un gaz à effet de serre, mais il est important de le prendre en compte, car il entraîne des dérèglements dans le fonctionnement des écosystèmes. C’est un gaz très volatil qui est pris en compte dans les protocoles internationaux. L’ammoniac est formé par l’hydrolyse de l’urée contenue dans les urines. Il est donc émis via les déjections et les effluents.

La quasi-totalité des émissions de NH3 françaises (96%) sont émis par l’agriculture. Les trois

quarts des émissions sont alloués à l’élevage, et représentent 565 kt de NH3 émis en 2009

(figure 8).

II. Les différents engagements de réduction des émissions

II.1.Engagements internationaux

Les premières conférences mondiales sur le climat

Les scientifiques se sont interrogés, dès 1979 à Genève, lors de la première conférence sur le climat, sur l’impact des changements climatiques sur les activités humaines. Une déclaration fut alors adoptée appelant tous les gouvernements « à prévoir et prévenir les changements climatiques d’origine anthropique qui pourraient nuire au bien être de l’humanité » (UNFCCC, 2001). D’autres conférences internationales consacrées aux changements climatiques ont suivi. La conférence de La Haye, en 1989, a réuni 149 pays pour aboutir à la déclaration de La Haye qui préconisait la mise en place de négociations en vue d’une convention internationale sur les changements climatiques.

Le protocole de Kyoto

La création du Groupe Intergouvernemental sur l’Evolution du Climat (GIEC, IPCC : International Panel on Climate Change en anglais) en 1988, chargé du suivi scientifique des processus du réchauffement climatique, a permis de centraliser les recherches. Les rapports des 3 groupes de travail du GIEC sont considérés comme des références pour les scientifiques et les responsables du monde.

Le premier rapport du GIEC en 1990 a servi de base à la convention sur le climat à Rio de Janeiro, signée par 179 états en juin 1992, entrée en vigueur le 21 mars 1994. L’objectif de la convention cadre des Nations unies sur les changements climatiques est de stabiliser les concentrations atmosphériques de GES à un niveau ne perturbant pas l’activité humaine [1]. Le protocole de Kyoto, fondé sur le deuxième rapport du GIEC de 1995, sera signé cinq ans plus tard en 1997 par 170 pays. Il engage les pays signataires à réduire ou à maintenir leurs émissions de GES pour la période 2008-2012. L’objectif étant de ne pas émettre plus qu’en 1990, année de référence commune. L’Europe visait alors 8% de réduction concernant l’émissions des GES suivants : le dioxyde de carbone (CO2), le protoxyde d’azote (N2O), le

méthane (CH4), les hydrofluorocarbures (HFC), les perfluorocarbures (PFC) et

l’hexafluorocarbure (SF6) (Brachet, 2007).

Le protocole de Kyoto n’entra en vigueur que le 16 février 2005, car il fallut attendre la ratification du traité par la Russie en 2004 pour qu’au moins 55% des émissions de 1990 soient représentés. L’Union Européenne et 121 autres pays l’ont ratifié le 31 mai 2002.

10

Dans les années 2000, d’autres conférences des Nations Unis sur le climat ont eu lieu, comme la conférence de Bali en 2007. Cependant même si les parties reconnaissent que « des réductions sévères des émissions devront être conduites », les objectifs fixés sont moins importants que les préconisations.

Le protocole de Copenhague en 2009, s’acheva sur un accord a minima, ne chiffrant même pas les réductions d’émissions. En décembre 2010, l’accord au sommet de Cancun confirme les engagements de Copenhague de 2009, mais ne prévoit rien pour prolonger le protocole de Kyoto qui arrive à échéance en 2012.

II.2. Engagements français

Dans le cadre du protocole de Kyoto, l’Europe s’est engagée à diminuer de 8% ses émissions de GES. Pour se faire, les efforts sont répartis entre les pays, en fonction de leurs contributions au travers des Plan Nationaux d’Affectation des Quotas (PNAQ).

La France doit stabiliser ses émissions pour 2012, ceci s’expliquant par la part importante d’énergie nucléaire en France, contrairement aux autres états membres qui utilisent proportionnellement plus d’énergie fossile.

Cependant pour atteindre cet objectif, la France doit inverser la tendance d’émissions croissantes. C’est pourquoi la France s’est dotée en 2000 d’un Programme National de Lutte contre le Changement Climatique (PNLCC).

Le PNLCC reste cependant très vague concernant les émissions du secteur agricole (Brachet, 2007).

En revanche, le Plan Climat de 2004 propose des actions concrètes en direction de l’agriculture concernant :

- La maîtrise de la fertilisation azotée, la diffusion de pratiques économes en intrants, la réduction des consommations de carburants

- La valorisation énergétique du biogaz

- La valorisation des produits issus de la biomasse que ce soit comme source énergétique ou comme matériau de construction.

A ces propositions s’ajoutent de nouvelles mesures provenant de l’actualisation du Plan Climat en 2006, qui sont directement liées aux propositions de la version de 2004, et donnent de nouvelles pistes d’actions, comme encourager :

- Les mesures agro-environnementales (MAE),

- Les démarches de réduction d’engrais azotés (Plan Climat, 2006).

En 2007, le Grenelle de l’Environnement aboutit aux lois « Grenelle ». La loi Grenelle 1 promulguée en août 2009 ouvre sur trois mesures majeures :

- La réduction de moitié de l’usage des pesticides d’ici 2018 (Plan Ecophyto) ;

- Le développement de l’Agriculture Biologique à travers des objectifs de développement de ses surfaces utiles (6% en 2012 puis 20% en 2020) ;

- Le développement d’une démarche de certification environnementale propre à la filière agricole afin que 50% des exploitations agricoles puissent y être largement engagé en 2012 [2].

11

II.3. Le protocole de Göteborg concernant le NH3

Signée en 1999 par 26 pays européens, le protocole de Göteborg dit « multi polluants, multi effets » est entré en vigueur en 2005, dans le cadre de la convention de la Commission Economique pour l'Europe des Nations Unies (UNECE) sur la pollution atmosphérique à longue distance qui prévoit des plafonds d’émissions pour le dioxyde de souffre (SO2), les

oxydes d'azote (NOx), les composés organiques volatils (COV) et l'ammoniac (NH3).

En limitant l’émission de ces gaz, le protocole de Göteborg vise à diminuer les effets de ces gaz sur les écosystèmes, tels que l’acidification des eaux et des sols, l’eutrophisation des sols et la pollution photochimique.

Ce protocole possède un équivalent français, la directive française 2001/81/CE, qui fixe des plafonds d’émissions de certains polluants atmosphériques.

Selon le CITEPA, en 2009, 744 kt de NH3 ont été émis par la France.

En kt Emission de 1990 Plafonds du protocole de Göteborg Plafonds de la directive 2001/81/CE

France UE France UE France

Ammoniac

(NH3) 814 3 671 780 (-4%) 3 129 (-15%) 780

Tableau 2 : Plafonds d’émissions de NH3 à respecter pour 2010 [3]

III. Les émissions de GES et d’ammoniac en bâtiments bovins

Les émissions dans les bâtiments bovins résultent de plusieurs sources : les animaux eux-mêmes via la fermentation entérique, mais également les déjections. Les émissions de CH4

entérique varient en fonction du stade physiologique des animaux, c’est pourquoi nous ferons des distinctions de facteurs d’émissions selon ces états. Les émissions issues des déjections varient en fonction du mode de logement.

III.1. Les facteurs d’émissions

III.1.1 Le méthane

Le méthane émis dans les bâtiments bovins provient de 2 sources. En effet, il est émis directement par les ruminants via la fermentation entérique, mais également par les déjections.

Les vaches laitières

Les émissions entériques peuvent être calculées à l’aide de mesures réalisées dans des chambres respiratoires, ou à l’aide de modèles ou d’équations de régression. Les valeurs bibliographiques de cette dernière approche sont plus hétérogènes que les mesures réalisées en chambre (Brachet, 2007).

12

Les références sont plus nombreuses pour les vaches laitières que pour les autres catégories d’animaux.

Emissions de CH4 entérique en kg C- CH4 / VL/ an

Chambres respiratoires (Brachet, 2007) 87.82

Modèles (Brachet, 2007) 98.94

Valeurs GES’tim (2010) 117.7

Tableau 3 : Les facteurs d’émissions de CH4 entérique des vaches laitières

D’autres études portent sur les émissions en bâtiment où les différentes sources sont alors prises en compte. En général, les résultats sont inférieurs aux émissions entériques seules, ce qui peut s’expliquer par la probable dilution des concentrations en bâtiment. Les prélèvements ayant lieu à distance des animaux, afin de ne pas mesurer directement les émissions entériques.

Emissions de CH4 en bâtiment en kg C- CH4 / VL/ an

Système fumier 30 à 60

Système lisier 70 à 100

Tableau 4 : Les facteurs d’émissions de méthane dans les bâtiments bovins (Brachet, 2007)

Les autres catégories d’animaux

Pour les autres catégories d’animaux, le rapport GES’tim (2010), nous permet d’avoir une idée des émissions relatives à ces animaux.

Emissions de CH4 entérique en kg CH4 / tête / an

Génisses laitières reproduction (0 à 30 mois)

(Vermorel et al, 2007) 41.9

Jeune mâle reproducteur 53.6

Taureaux adultes 76.7

Tableau 5 : Les facteurs d’émissions de CH4 entériques des bovins laitiers (autre que les vaches laitières)

(GES’tim, 2010)

Les émissions de CH4 liées aux déjections des animaux en bâtiment d’élevage

Le mode de logement influence les émissions en modifiant le type de déjections obtenues. Les dégagements gazeux qui proviennent des déjections dépendent en grande partie de leur contact avec l’air. Les conditions d’anaérobiose ne sont pas les mêmes dans un système fumier que dans un système lisier. Une litière accumulée rassemble en effet des conditions favorables à la production de méthane par des microorganismes vivant en anaérobiose. C’est pourquoi, GES’tim (2010) décline plusieurs facteurs d’émissions en fonction du type de surface dans laquelle progresse les animaux.

Emissions de CH4 en g CH4 / UGB / j

Aire raclée 18.46 (Ellis, 2001) Litière accumulée 222.17 (Amon, 1998)

13

III.1.2 Le protoxyde d’azote

Le protoxyde d’azote n’est émis en bâtiment que par les déjections animales. Le rapport GES’tim (2010) prend également en considération ces émissions liées aux déjections des animaux en bâtiment d’élevage et décline des facteurs d’émissions en fonction du type de surface.

Emissions de N2O en g N2O / UGB / j

Aire raclée 8.8.10-4 (Ellis, 2001) Litière accumulée 0.71 (Amon 1998)

Tableau 7 : Les facteurs d’émissions de N2O liés aux déjections dans les bâtiments (GES’tim, 2010)

III.1.3 L’ammoniac

Différentes études ont été réalisées afin de déterminer les émissions de NH3, mais le type de

bâtiment n’est pas toujours renseigné. C’est pourquoi la donnée médiane de toutes ces références sera utilisé, elle est de 8.47 kg de N- NH3 / Vache / an (Brachet, 2007).

III.2. Les facteurs influençant les émissions

Les émissions de GES dépendent des types d’animaux, des niveaux de production et du type d’alimentation.

Les vaches laitières émettent plus de méthane entérique que des animaux en croissance. En effet, le niveau de production, le poids agit sur la quantité de gaz émit (Vermorel, 1995). La nature du fourrage, sa digestibilité, le mode de conditionnement, le pourcentage de concentrés dans la ration, la nature des concentrés sont d’autant de variables qui influencent les émissions.

Le mode de logement influence le type de déjections produites, et par conséquent les émissions également. Le méthane, produit par des microorganismes anaérobiques, sera émis dans des litières accumulées, où ces conditions seront réunies.

Dans un fumier moins compact (le dessus d’une litière accumulée), au niveau de la croûte de la surface d’une fosse à lisier, on trouvera des conditions alternant des zones aérobies et anaérobies. Une alternance de ces deux zones, conduisant à des nitrification et dénitrification successives, est propice à la production de protoxyde d’azote (Brachet, 2007).

14

Partie 2 : Quantification des émissions de GES et de NH

en bâtiment d’élevage

bovin

I. Estimation des émissions avec des bilans de masse et des rapports de

concentration

Principe de la méthode simplifiée

Les émissions de gaz peuvent être assimilées à des pertes des éléments azote et carbone. Les pertes gazeuses de carbone se font sous la forme de méthane et de dioxyde de carbone. Pour les pertes gazeuses d’azote, au protoxyde d’azote et à l’ammoniac, s’ajoute éventuellement du diazote (N2), issue d’une dénitrification totale des effluents. On

surestime donc légèrement les émissions de ces composés azotés en disant que :

Perte C (sous forme gazeuse) = EC-CO2 + EC-CH4 ; Equation 1

Perte N (sous forme gazeuse) = EN-NH3 + EN-N2O ; Equation 2

EC-CO2,EC-CH4,EN-NH3 et EN-N2O étant les émissions de carbone sous forme de CH4 et de CO2 et d’azote sous forme

de NH3 et de N2O.

Les pertes gazeuses issues du bâtiment peuvent être approximativement estimées par la différence entre les entrées, alimentation et matériau de litière (paille), et les sorties, production animale au sens large et effluents.

Nous avons donc,

Perte C = QCingéré + QCpaille – QClait – QCgestation – QCmobilisation – QCcroissance - QCeffluents ; Equation 3

Avec QCingéré, QCpaille, QClait, QCgestation, QCmobilisation, QCcroissance : la quantité de carbone ingérée, celle apportée par la

paille, et celles utilisées par la vache pour la production de lait, la gestation, la mobilisation et la croissance éventuelles, et Q_Ceffluents : la quantité de carbone dans les effluents qui sortent du bâtiment.

Afin de réaliser ces bilans, nous utiliserons le bilan Maxin-INRA (2006), qui réalise un bilan à l’échelle de l’animal, auquel nous ajouterons le carbone apporté par la paille pour obtenir un bilan à l’échelle du bâtiment (figure 9).

Paillat et al (2005), ont mis en place une méthode de mesures basée sur les bilans de masse à l’échelle du bâtiment et les rapports de concentration des différents gaz. Cette méthode a été validée par Brachet (2007). L’intérêt de cette méthode est de s’affranchir des calculs de débit d’air, qui sont difficiles à mettre en œuvre dans les bâtiments à ventilation naturelle, qui sont la règle en élevage bovin.

Cette méthode repose sur les équations suivantes :

15

Avec :

- Egaz : émission de gaz mesurée (gC-CO2/h pour le CO2 par exemple),

- Q_air : débit d’air sortant du bâtiment (m3/h),

- Pi : volume massique de l’air sortant du bâtiment (kg air sec/m3),

- Cgaz.int : concentration de gaz à l’intérieur du bâtiment (gC-CO2/kg air sec) ,

- Cgaz.ext : concentration de gaz à l’extérieur du bâtiment (gC-CO2/kg air sec).

Le débit d’air et son volume massique peuvent être assimilés à un coefficient, tel que :

a = (Qair * Pi) ; Equation 5

et les différences de concentration entre l’intérieur et l’extérieur du bâtiment s’exprimer de la façon suivante

(Cgaz.int – Cgaz.ext) = Gradientgaz ; Equation 6

On peut alors dire que :

a = Egaz / Gradientgaz ; Equation 7

Soit

a = EC-CO2 / GradientC-CO2

a = EC-CH4 / GradientC-CH4

a = EN-N2O / GradientN-N2O

a = EN-NH3 / GradientN-NH3

Ce qui permet alors d’écrire les égalités suivantes,

EC-CO2 / GradientC-CO2 = EC-CH4 / GradientC-CH4

↔ EC-CH4 = EC-CO2* (GradientC-CH4 / GradientC-CO2 ) ; Equation 8

On peut donc remplacer dans l’équation 1 la valeur de EC-CH4 à l’aide de l’équation 8 et on

obtient alors :

Perte C = EC-CO2 + EC-CH4 ; Equation 1

Perte C = EC-CO2 + EC-CO2* (GradientC-CH4 / GradientC-CO2 )

↔ Perte C = EC-CO2 * [1 + (GradientC-CH4 / GradientC-CO2 )] ; Equation 9

En reprenant l’équation 3 pour caractériser la Perte C, on a alors

EC-CO2 = (QCingéré + QCpaille – QClait – QCgestation - QCeffluents) / [1 + (GradientC-CH4 / GradientC-CO2 )] ;

Equation 10

Avec l’équation 10, il est possible d’évaluer les émissions de dioxyde de carbone en provenance du bâtiment, en se fondant uniquement sur le bilan de masse et les concentrations intérieures et extérieures du méthane et du dioxyde de carbone.

En reprenant l’équation 8, de la même façon, on peut alors évaluer les émissions de méthane, de protoxyde d’azote et d’ammoniac dans le bâtiment :

EC-CH4 = EC-CO2 * (GradientC-CH4 / GradientC-CO2) ; Equation 11

EN-N2O = EC-CO2 * (GradientN-N2O / GradientC-CO2) ; Equation 12

Figure 10 : Le matériel de prélèvement composé d’une pompe d’aquarium, de filtres et de tubes tygon

Figure 11 : Analyseur photoacoustique de gaz INNOVA®1412

Figure 12 : Les thermo hygromètres Testo et Voltcraft

16

II. Mise en œuvre de la méthode simplifiée

II.1. Mesures des concentrations de gaz à l’intérieur et à l’extérieur du bâtiment

II.1.1. Matériel de mesures

L’évaluation des émissions de GES et de NH3 dans les bâtiments bovins nécessite la

réalisation de prélèvements d’air ambiant à l’intérieur et à l’extérieur des bâtiments, Cependant, ces données ne suffisent pas à la réalisation de l’analyse.

II.1.1.1. Le matériel de prélèvement

Le matériel utilisé pour le prélèvement est assez simple et peu onéreux. Il est constitué d’éléments imperméables et inertes par rapport aux gaz étudiés afin de ne pas biaiser les données, et imperméables à l’eau car l’analyseur mesure la concentration en vapeur d’eau de l’air. De plus, l’analyseur ne supporte pas la présence d’eau liquide qui le détériorerait irréversiblement.

Le matériel de prélèvement est constitué : - d’une pompe d’aquarium, - de tube tygon souple, - de filtres, et

- d’un sac Tedlar de 10L avec embout de raccordement (figure 10 et 13).

Lors du prélèvement, l’expérimentateur utilise un chronomètre ainsi qu’un carnet afin de noter les heures de début de chaque prélèvement et leur durée, mais également diverses caractéristiques de la situation (position et activité des animaux, événements divers…).

II.1.1.2. Les thermo-hygromètres

Deux thermo-hygromètres sont utilisés, qui permettant de mesurer instantanément, selon la programmation choisie, la température et l’humidité relative de l’air ambiant.

Deux Testo 177-H1 ont été utilisés et 3 Voltcraft DL-120YH ont également servi (figure11). La température et l’humidité relative à l’intérieur et à l’extérieur des bâtiments sont nécessaires pour les calculs d’enthalpie.

II.1.1.3. L’analyseur INNOVA ® 1412

L’analyseur de gaz LumaSense INNOVA 1412 (figure 12) possède des procédures d’auto-test qui le rendent extrêmement fiable. Il nécessite une calibration par an. Son principe de mesure est fondé sur la détection acoustique infrarouge : il peut donc mesurer les gaz qui absorbent la lumière infrarouge. Il peut analyser quantitativement 5 éléments dont la vapeur d’eau dans les mélanges de gaz. Dans notre expérimentation, cinq gaz sont mesurés, à savoir le dioxyde de carbone, le méthane, le protoxyde d’azote, l’ammoniac et la vapeur d’eau.

L’analyseur de gaz pompe environ 250cm3 à chaque mesure, c’est pourquoi nous utilisons des sacs Tedlar de 10L, afin de pouvoir les remplir d’au moins la moitié, pour pouvoir réaliser une vingtaine de mesures élémentaires par sac.

17

II.1.2. Prélèvement d’air afin d’avoir les concentrations de gaz à l’intérieur et à l’extérieur des bâtiments

Afin de pouvoir calculer le gradient de concentration pour les gaz entre l’intérieur et l’extérieur du bâtiment, des prélèvements d’air doivent être réalisés dans les deux situations.

Le prélèvement extérieur consiste à prélever de l’air autour du bâtiment, ce qui a été réalisé en cheminant sur son pourtour immédiat.

A l’intérieur, les parcours se font dans le sens de la longueur du bâtiment afin de pouvoir couvrir toute l’aire de vie des animaux. Cependant ce parcours varie en fonction de la configuration du bâtiment, ce que nous détaillerons dans la prochaine partie.

II.2. Données nécessaires au calcul du bilan de masse

II.2.1. Bilan de masse

Le bilan Maxin – INRA (2006) modélise les flux d’entrées et sorties au niveau de l’animal. Il est adaptable à tous les bovins laitiers. Il décrit les flux de carbone, de phosphore, de potassium, de cuivre et de zinc entrant et sortant à l’échelle de l’animal. Le bilan du carbone est indispensable pour l’évaluation des émissions, car il permet d’obtenir le terme « Perte C » de l’équation 1. Le bilan de l’azote permet de calculer l’azote urinaire et non urinaire, qui intervient dans le calcul du bilan de carbone.

Le tableau 8 récapitule toutes les données nécessaires à la mise en oeuvre de ce modèle. A ce bilan à l’animal, s’ajoutent les entrées de paille (ou plus généralement de matériau de litière) qu’il faut considérer quand nous raisonnons à l’échelle du bâtiment.

De plus les sorties de carbone imputable aux effluents peuvent être calculées directement à l’aide de pesées et d’analyses de leur composition.

Termes du Bilan Maxin à l’échelle de l’animal

Entrées / Sorties

Catégorie d’animaux concernée

Termes du

bilan Données nécessaires aux calculs VL, génisses, veaux C concentrés MAT, EE, ADL , MO, MSI Entrées

VL, génisses, veaux C fourrages MAT, EE, MO, MSI

VL C Lait TP, TB, PL

Génisses, veaux C fixé GPV, âge

VL C foetus GMQ foetus

VL C

mobilisation PV, PL4%, PVnais, Sem G Sorties

VL, génisses, veaux Cdéjections MOND, %Concentré, MSI Autres termes nécessaires pour obtenir la « Perte C » à l’échelle du bâtiment

Sorties VL, génisses, veaux Ceffluents Qte d’effluents /UGB et teneur en carbone organique des effluents Entrées et/ou

Sortie VL, génisses, veaux C paille

Taux de paillage, teneur en C de la paille

Tableau 8 : Récapitulatif des données nécessaires à la réalisation du calcul de la « Perte C » à l’aide du bilan Maxin – INRA (2006) pour l’élément Carbone

18

II.2.2 Caractérisation des effluents

La pesée des effluents s’effectue lors des raclages et un échantillon est réalisé à ce moment-là. En fonction du nombre de raclages et de pesées par jour, des sous-échantillons ont été réalisés pour chaque site de prélèvement. Un regroupement de ces sous-échantillons est ensuite effectué au prorata des quantités raclées.

Pour l’analyse de ces échantillons, un regroupement a été opéré en prenant en compte les caractéristiques de l’alimentation distribuée aux animaux. Ces échantillons ont été analysés par la SADEF d’Aspach le Bas (68), en les considérant comme des lisiers pour en déterminer les critères suivants :

- Matière sèche - Azote total (N)

- Azote ammoniacal (N-NH4)

- Matière organique par perte au feu - Carbone organique (C)

- Rapport C/N

- Phosphore total (P2O5) - Potassium total (K2O) - Calcium total (CaO) - Magnésium total (MgO)

A l’aide de ces données (pesées et analyses), le terme Cdéjections du bilan Maxin peut alors

être vérifié. Le Cdéjections calculés à l’aide du bilan Maxin est plus faible que celui que nous

obtenons en le calculant directement avec les pesées et les analyses. Dans les calculs d’émissions, le Cdéjections est calculé à l’aide de ces données

19

III. Estimation des émissions de GES et de NH

III.1.Sur l’exploitation agricole de l’INRA de Mirecourt

L’installation expérimentale (IE) de Mirecourt est composée de deux systèmes de production, conduits sous le cahier des charges de l’agriculture biologique. Le Système Herbager (SH), évolue sur 80 ha de prairies permanentes et comprend environ 40 vaches laitières et les génisses de renouvellement. Le régime alimentaire de ces animaux est donc exclusivement à base de fourrage de prairie permanente. Les vêlages de ce troupeau sont groupés et ont lieu entre de janvier à avril.

Le Système de PolyCulture Elevage (SPCE) comprend 60 vaches laitières et les génisses de renouvellement. Ce troupeau est élevé sur un territoire de 50 ha de prairies permanentes et 105 ha de cultures. Les vêlages sont également groupés, d’août à novembre.

Trois bâtiments abritent les animaux, au sein desquels des mesures peuvent être réalisées : - le bâtiment des vaches laitières, composé de 3 stabulations (1 pour le SH et 2

pour le SPCE)

- le bâtiment des génisses, configuré en box (5 pour le SH et 8 pour le SPCE)

- la nurserie, configuré également en box (12 répartis en fonction de la période de l’année entre les deux systèmes).

L’estimation des émissions de GES et de NH3 dans les bâtiments de l’IE de Mirecourt permet

d’évaluer deux systèmes ayant des troupeaux de compositions et de conduites très différentes. S’y ajoute des modes de logement différenciés comme le montre le tableau 9.

SH SPCE Vaches laitières Bâtiment fermé Logettes - Lisier Bâtiment fermé Litière Accumulée Fumier Génisses Bâtiment semi-ouvert Litière accumulée Fumier Bâtiment semi-ouvert Litière accumulée Fumier Mode de logement des

animaux Veaux Bâtiment fermé Litière accumulée intégrale Bâtiment fermé Litière accumulée intégrale Effluents produits Lisier - Fumier Fumier compact –

Fumier mou

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III.2. Sur une exploitation agricole commerciale

Une étude de faisabilité de la méthode sur le site de l’ALPA (Association Lorraine de Promotion en Agriculture) d’Haroué (54) é été mené. Cependant les critères de recevabilités n’étant pas réunis, le choix de ne réaliser les prélèvements que sur l’IE de Mirecourt, dans un premier temps, a été maintenu. Afin de réaliser des évaluations d’émissions dans d’autres fermes lorraines, le protocole doit être simplifié, par le nombre de mesures réalisées, et par les données nécessaires à la réalisation des bilans.

21

Partie 3 : Résultats

I. Les prélèvements d’air sur l’installation expérimentale de l’unité ASTER de

Mirecourt

Afin d’évaluer les émissions de GES et d’ammoniac, une connaissance de la concentration de ces gaz est nécessaire. L’expérimentation conduite a pour but de mesurer les concentrations de ces gaz dans les bâtiments ainsi qu’à l’extérieur, selon la méthodologie proposée par Brachet (2007) et Dollé (2009).

Les mesures de concentration sont complétées par le recueil d’autres éléments, tels que les pesées des déjections, des aliments consommés, de la paille utilisée en litière, mais également par des données climatologiques locales (température et hygrométrie de l’air). Les prélèvements ont eu lieu dans trois bâtiments, abritant chacun des catégories d’animaux différentes : les vaches laitières, les génisses et les veaux. Pour les bâtiments des vaches et des génisses, des prélèvements ont lieu dans les deux systèmes, SH et SPCE, qui correspondent à des modes de logement différents. Le cas des veaux est plus compliqué, puisque des animaux des deux systèmes étaient simultanément présents dans la nurserie lors de la majorité des journées de prélèvement : nous ne traiterons donc pas ici de cette situation particulière.

D’une manière générale, les prélèvements ont lieu durant des périodes élémentaires d’environ 15 minutes, afin que le sac soit rempli à moitié, ce qui permet de réaliser au moins 20 mesures élémentaires de concentrations au moyen de l’analyseur.

I.1. Prélèvements dans le bâtiment des vaches laitières

Les prélèvements ont lieu dans les bâtiments des vaches laitières, plus précisément :

- Pour le SH, dans la stabulation 2

- Pour le SPCE, dans les stabulations 1 et 3 ainsi que dans l’aire d’attente de la salle de traite, commune aux deux troupeaux

La méthode mise en œuvre étant fondée sur la prise en compte du gradient de concentration entre l’intérieur et l’extérieur du bâtiment, il est procédé à un prélèvement à l’extérieur du bâtiment : celui-ci est réalisé autour du bâtiment des VL, en empruntant les voies de circulation existantes.

Afin de séparer les stabulations 2 et 3, un rideau est mis en place entre ces deux stabulations la veille du prélèvement, sitôt après la traite. Il en est de même pour le store positionné entre la stabulation 2 et l’aire d’attente, qui est ouvert lors de la traite et du raclage et redescendu juste après.

I.1.1. Le parcours lors des prélèvements

Le prélèvement intérieur est réalisé comme le montre la figure 14, en parcourant l’intégralité des aires de vie des animaux. Pour la stabulation 2, la totalité du prélèvement a lieu sur l’aire raclée et dure entre 10 et 15 minutes.

Figure 15 : Les heures de prélèvement dans le bâtiment des vaches laitières

22

Pour les stabulations 1 et 3 (ainsi que l’aire d’attente), le prélèvement a lieu au prorata de la surface de chaque aire, soit pour un prélèvement de 15 minutes,

- 2 minutes sur l’aire raclée de la stabulation 1,

- 3 minutes sur l’aire paillée de la stabulation 1,

- 1 minutes et 30 secondes dans l’aire d’attente,

- 3 minutes sur l’aire raclée de la stabulation 3, et

- 5 minutes sur l’aire paillée de la stabulation 3.

I.1.2. Les heures de prélèvements

L’expérimentation a visé la réalisation de prélèvements répartis durant un nycthémère, afin de disposer d’une quantification multi-horaire des émissions gazeuses. Pour différentes raisons, différents horaires de prélèvements ont été retenus (figure 15) :

- 8h – 11h – 14h – 17h – 20h – 23h – 4h30 (8 journées de prélèvements). - 8h – 11h – 14h – 17h – 20h – 22h – 4h30 (6 journées de prélèvements). - 8h – 11h – 14h – 18h – 21h – 4h30 (3 journées de prélèvement).

- 8h – 14h – 17h – 4h30 (1 journée de prélèvement).

Les prélèvements ont lieu en modifiant le moins possible les activités réalisées au sein et autour du bâtiment. C’est pourquoi certains horaires sont modifiés au cours de l’hiver : le prélèvement de 17h a été retardé d’une heure, la traite n’étant pas achevée à 17h, car le nombre de vaches traites augmentait.

Lors du raclage, des échantillons d’effluents sont réalisés avant la pesée. Les effluents sont rassemblés au bout du bâtiment sur l’aire de transfert. L’échantillon est constitué de 3 à 5 prélèvements élémentaires de lisier, réalisés avec une pelle ad hoc réceptionnés dans un baquet. Une fois l’échantillon réalisé, les effluents sont poussés dans la benne positionnée dans la fumière des vaches (SPCE). Une fois achevé le raclage d’une stabulation, la benne est pesée sur le pont-bascule, puis vidée dans l’installation de stockage concernée par le produit (fosse à lisier pour le lisier SH, ou fumière SPCE pour le fumier de raclage du SPCE).

L’aire d’attente de la salle de traite est raclée avec la stabulation 1 (figure 16).

A partir des échantillons réceptionnés en baquets, les échantillons pour analyse sont constitués au prorata des quantités journalières pesées au pont-bascule, en tenant compte des quantités mesurées lors des deux raclages quotidiens. Les poids et volumes finaux de ces échantillons sont de 1 à 1.5 kg pour les fumiers de raclage (St1 et St3) et de 1L pour le lisier (St2).

Le prélèvement d’air ambiant va permettre de constituer un échantillon d’air qui sera soumis à la mesure de ses concentrations en dioxyde da carbone (CO2), en méthane (CH4), en protoxyde d’azote (N2O), en ammoniac (NH3) et en vapeur d’eau.

Pendant toute la journée de prélèvement, des thermo-hygromètres enregistreurs sont mis en place et activés dans les stabulations et à l’extérieur, à une hauteur de 2 à 3m.

La méthode reposant sur un bilan de masse à l’échelle du bâtiment, il est nécessaire de quantifier les entrées et sorties de matières qui l’affectent.

Figure 17 : Les heures de prélèvement dans le bâtiment des génisses

23

Tous les fourrages consommés et la paille de litière utilisée sont pesés. Les effluents sont également pesés lors des raclages. A des fins d’analyse de leur composition, ils font l’objet d’un échantillonnage détaillé infra.

Les compteurs d’eau existants sont également relevés avant le premier prélèvement de la journée et après la journée pour établir un bilan d’eau

I.2. Prélèvements dans le bâtiment des génisses

I.2.1. Le parcours lors des prélèvements

Les prélèvements ont lieu dans les bâtiments des génisses, plus précisément :

- Pour le SH, dans les box 1 à 5 inclus

- Pour le SPCE, dans les box 6 à 13 inclus.

Un seul prélèvement extérieur est réalisé, valant pour les deux systèmes. Il s’effectue autour du bâtiment des génisses.

Le bâtiment des génisses est un bâtiment semi ouvert, avec pour chaque box, une aire paillée et une aire raclée.

Le bâtiment des génisses est un bâtiment semi ouvert, avec pour chaque lot, une aire paillée et une aire raclée.

Le prélèvement intérieur est réalisé en restant plus ou moins statique soit sur l’aire paillée, soit sur l’aire raclée.

Le prélèvement intérieur est réalisé de façon relativement statique soit sur l’aire paillée, soit sur l’aire raclée, pour ne pas exciter les animaux. La disposition du bâtiment en box ne permet pas de circuler sans causer de déplacements des animaux.

Les prélèvements intérieurs se déroulent pendant 15 minutes. Afin de représenter l’air ambiant du bâtiment chaque box est représenté de façon identique au sein d’un système donné ; le SH occupant 5 box, 3 minutes de prélèvement sont affectées à chaque box pour remplir un sac de prélèvement. Ces 3 minutes sont réparties à parité entre les aires raclées et les aires paillées.

Concernant le SPCE, qui occupe 8 box, le temps de prélèvement par box est réduit à environ 2 minutes, réparties également entre les aires raclées et les aires paillées.

Le prélèvement extérieur consiste à prélever de l’air dans l’environnement extérieur proche des bâtiments. Compte tenu de la configuration des bâtiments, un seul prélèvement extérieur est réalisé et utilisé pour le calcul des gradients de concentration pour les deux systèmes.

SH SPCE

6-7 janvier 2010 Hiver Hiver

19-20 janvier 2010 Hiver Hiver

3-4 février 2010 Hiver Hiver

17-18 février 2010 Hiver Hiver

3-4 mars 2010 Hiver Hiver

18-19 mars 2010 Hiver Hiver

14-15 avril 2010 Transition Transition 21-22 octobre 2010 Transition Transition 18-19 novembre 2010 Transition Hiver

2-3 décembre 2010 Hiver Hiver – présence d’enrubannage de luzerne 16-17 décembre 2010 Hiver Hiver – présence d’enrubannage de luzerne 6-7 janvier 2011 Hiver Hiver – présence d’enrubannage de luzerne

20-21 janvier 2011 Hiver Hiver

3-4 février 2011 Hiver Hiver

17-18 février 2011 Hiver Hiver

3-4 mars 2011 Hiver Hiver

17-18 mars 2011 Transition Hiver

31 mars 2011 et 1 avril 2011 Transition Hiver

24

I.2.2. Les heures de prélèvements

Afin de représenter une journée, des prélèvements ont lieu toute la journée, toutes les 3 heures. Un prélèvement en soirée est réalisé afin de décrire les conditions nocturnes (figure 17) :

- 7h30 – 10h30 – 13h30 – 16h30 (1 journée de prélèvement) ;

- 7h30 – 10h30 – 13h30 – 16h30 – 19h30 (1 s journée de prélèvement) ;

- 7h30 – 10h30 – 13h30 – 16h30 – 19h30 – 22h (6 journées de prélèvement).

I.2.3. Les autres données

Pendant toute la journée de prélèvement, des thermohygromètres sont présents dans les stabulations et à l’extérieur. Tous les consommées et paille qui entre dans le bâtiment sont pesées et caractérisées. Le raclage n’a lieu qu’une fois par jour, le matin (figure 18). Il porte sur les effluents situés sur l’aire d’exercice, qui sont quasi exclusivement composés des déjections produites par les animaux. Après prélèvement distinct des effluents issus de chaque système au moment du raclage, des échantillons sont réalisés pour chaque système à hauteur de 1 à 1.5 kg chacun.

I.4. Récapitulatif des prélèvements effectués

I.4.1. Le bâtiment des vaches laitières

L’expérimentation a été mise en place pendant deux hivers consécutifs, les hivers 2009 – 2010 et 2010 – 2011, ce qui représentent au total 18 journées de prélèvement. On peut classer ces jours de prélèvement en fonction du temps de présence des animaux dans les bâtiments, mais également en référence à l’utilisation d’enrubannage dans l’alimentation des vaches du SPCE. En effet, ce dernier est émetteur d’ammoniac, qui vient s’ajouter aux autres sources d’ammoniac.

Dans ces conditions, certaines journées ont été réalisées dans des conditions hivernales classiques, les animaux étant intégralement à l’intérieur et les conditions intérieures celles d’un hiver classique. D’autres journées, en revanche, peuvent être considérées comme des journées de transition : Les animaux sont soit en transition d’entrée en hiver, soit de sortie de printemps et ne fréquentent les bâtiments que partiellement. A ceci s’ajoute la présence ou non d’enrubannage dans les fourrages distribués au SPCE.

Le tableau 10 récapitule les différentes journées de prélèvement avec leurs caractéristiques. Seules les conditions d’hiver seront analysées dans la suite du rapport, soit 13 jours pour chaque système, soit 72% des journées de prélèvements réalisées.

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I.4.2. Le bâtiment des génisses

Deux journées de prélèvement caractérisent la fin d’hiver 2009-2010, réalisées en mars 2010. Six journées de prélèvement ont été effectuées durant l’hiver 2010- 2011, du 18 janvier 2011 au 29 mars 2011, à une fréquence d’une journée de prélèvement tous les 15 jours.

Cependant, les conditions de prélèvement du 29 mars ne sont pas comparables avec les 5 autres prélèvements de l’hiver. En effet, à cette date, la majorité des animaux présents durant l’hiver étaient déjà sortis et le bâtiment des génisses n’abritait alors plus que les petites génisses et quelques vaches taries.

C’est pourquoi nous n’analyserons ici que ces 5 journées de prélèvement. Il faut tout de même noter que durant les quatre premières journées de prélèvement, trois lots du SPCE disposaient d’enrubannage de luzerne, constituant donc une source supplémentaire d’ammoniac.

II. Les conditions à vérifier pour l’évaluation des émissions

Plusieurs conditions doivent être vérifiées afin d’utiliser les données de concentration des gaz dans les bâtiments.

II.1. Validation des données de concentration

La méthode simplifiée est fondée sur le calcul du gradient de concentration entre l’intérieur et l’extérieur du bâtiment, représentant la quantité de gaz émis par le bâtiment. Il faut donc que la concentration intérieure de chaque gaz soit effectivement supérieure à sa concentration extérieure. Si cette condition n’est pas vérifiée, les émissions ne peuvent donc pas être calculées, à l’échelle d’un prélèvement élémentaire.

Cette non-vérification a concerné de nombreux prélèvements, plus spécialement pour le N2O. Sa présence en très faible quantité d’une part, et la proximité de la fosse à lisier et des

fumières lors des prélèvements extérieurs (pour les vaches comme pour les génisses) d’autre part, en sont vraisemblablement la raison (tableau 12).

Afin de pouvoir évaluer les émissions pour les journées considérées, une valeur moyenne pondérée de la concentration intérieure et extérieure peut malgré tout être calculée à l’échelle de la journée, et non plus seulement à l’échelle de chaque séquence élémentaire de prélèvement. On obtient alors un gradient de concentration calculé pour la journée, qui permet le calcul des émissions à ce pas de temps.

Par extension, et pour homogénéiser les calculs, ce procédé de calcul a été systématiquement retenu pour l’ensemble des situations de prélèvement (journées et types d’animaux).

Tableau 11 : Récapitulatif des nombres de prélèvements élémentaires vérifiant les conditions de concentration et d’enthalpie pour les prélèvements d’hiver