Bilan environnemental des filières prenant en compte l'ensemble des étapes de post-traitements des digestats de méthanisation

(1)

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de méthanisation

L. Giard, M. Pradel

To cite this version:

L. Giard, M. Pradel. Bilan environnemental des filières prenant en compte l’ensemble des étapes de

post-traitements des digestats de méthanisation. [Rapport de recherche] irstea. 2017, pp.40.

�hal-02606656�

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BILAN ENVIRONNEMENTAL DES FILIERES PRENANT EN

COMPTE L’ENSEMBLE DES ETAPES DE

POST-TRAITEMENTS DES DIGESTATS DE METHANISATION

LIVRABLE DE LA SOUS-TACHE 1.1 – PROJET REMIPROPHYTE

(REDUCTION DES FUITES VERS LES MILIEUX POUR LES PRODUITS RESIDUAIRES ORGANIQUES

EN MODIFIANT LEUR PRESENTATION PHYSIQUE ET LES TECHNIQUES D’EPANDAGE; CAS DES

DIGESTATS DE METHANISATION)

Lucas Giard, Marilys Pradel

Avril 2017

Projet de recherche coordonné par : Irstea

Appel à projet de recherche : DOSTE

N° de contrat : 1306C0066

Coordination technique :

Guiziou Fabrice

– Direction\Service : Unité de recherche OPAALE

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BILAN ENVIRONNEMENTAL DES FILIERES PRENANT EN COMPTE L’ENSEMBLE DES ETAPES DE

POST-CITATION DE CE RAPPORT

Giard, L. et Pradel, M. 2017. Bilan environnemental des filières prenant en compte l’ensemble des étapes

de post-traitements des digestats de méthanisation – Rapport final. ADEME. 40 pages.

En français :

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En anglais:

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TABLE DES MATIERES

Résumé ... 4

1. Contexte du projet ... 5

1.1. Le projet RéMiProPHYTE ... 5

1.2. L’approche environnementale dans le projet RéMiProPHYTE ... 5

1.3. L’Analyse du Cycle de Vie (ACV) ... 6

2. Objectif et champ de l’étude de la sous-tâche 1.1 ... 6

2.1. Objectif ... 6

2.2. Scénarios et frontières des scénarios ... 7

3. Données d’inventaire et hypothèses de l’étude ... 8

3.1. Origine des données ... 8

3.2. Les étapes de post-traitements ... 9

3.3. L’épandage ... 12

4. Résultats ... 15

4.1. Résultats pour l’unité fonctionnelle n°1 (UF

1

) ... 15

4.1.1. Comparaison globale des scénarios ... 15

4.1.2. Comparaison détaillée des scénarios ... 16

4.2. Résultats pour l’unité fonctionnelle n°2 (UF

2

) ... 20

4.2.1. Comparaison globale des scénarios ... 20

4.2.2. Comparaison détaillée des scénarios ... 21

4.3. Conclusions communes aux deux UF ... 22

5. Analyse de sensibilité ... 22

5.1. Analyse de sensibilité sur les choix méthodologiques ... 23

5.1.1. Comparaison des tendances des deux unités fonctionnelles ... 23

5.1.2. Allocation de la centrifugation ... 25

5.2. Analyse d’incertitudes ... 27

5.2.1. Procédé de granulation ... 27

5.2.2. Stockage ... 29

5.2.3. Facteurs d’émissions de NO

3-

et de N

2

O à l’épandage ... 30

5.3. Conclusions de l’analyse de sensibilité ... 31

(5)

POST-Résumé

La tâche 1 du projet RéMiProPHYTE a pour objectif d’évaluer l’impact des étapes de post-traitements des digestats de méthanisation sur le bilan environnemental de leur filière de valorisation agronomique. Le présent livrable concerne la sous-tâche 1.1. Il consiste à identifier les postes de post-traitement des digestats de méthanisation agricole pouvant avoir un impact sur le bilan environnemental de la filière, et à effectuer le bilan environnemental des filières au moyen de l’ACV.

Trois scénarios de post-traitement de la phase solide des digestats ont été évalués : un scénario de référence ne présentant pas de post-traitement de la phase solide du digestat (Sréf), un scenario avec

séchage de la fraction solide du digestat (S1) et un scénario avec séchage et granulation de la phase solide

du digestat (S2).

Les résultats ont montré que pour huit des onze catégories d’impacts étudiées les scénarios 1 et 2 ont plus d’impacts que Sréf, à cause notamment de l’énergie mise en œuvre lors des post-traitements (séchage,

granulation). Pour les autres catégories (acidification, eutrophisation, changement climatique), les émissions lors du stockage et de l’épandage du scénario de référence sont plus importantes que celles des scenarios avec post-traitement rendant Sréf plus impactant que S1 et S2.

Une analyse de sensibilité a été effectuée sur les choix méthodologiques et les paramètres opératoires utilisés dans l’étude. Elle a permis de montrer que seule la diminution de l’énergie consommée lors de l’étape de granulation du post-traitement pourrait avoir une influence sur les tendances générales de l’étude.

Abstract

The first task of the RéMiProPHYTE project aims to assess the impact of anaerobic digestate post-treatments on the environmental performance of their agricultural recycling chain. The present report concerns sub-task 1.1. On the one hand, it is dedicated of the identification of post-processing steps for agricultural anaerobic digestate which may have an impact on environmental balance sheet. On the other hand it is dedicated to carry out the environmental assessment of the sectors by means of the LCA.

Three post-treatment scenarios of the solid fraction of digestate were assessed: a reference scenario without post-treatment (Sréf), a scenario with a drying of the solid fraction of the digestate (S1) and a

scenario with a drying and a conditioning as granulate of the solid fraction of the digestate (S2).

Results showed that for eight of the eleven impact categories studied, scenarios with post-treatment have the highest impact, mainly due to the energy used during the drying and the granulation. For the other categories (acidification, eutrophication, climate change), emissions during the storage and spreading of the reference scenario make it the most impacting.

A sensitivity analysis based on methodological choices and operational parameters was carried out. It showed that only the decrease in energy consumed in the post-treatment granulation step could influence the overall trends of the study.

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1. Contexte du projet

1.1. Le projet RéMiProPHYTE

La mise en œuvre des politiques publiques et des réglementations aux échelles européennes et nationales dans les domaines environnemental et énergétique conduit à recycler et gérer de nouveaux matériaux organiques pour la fertilisation des sols tels que les digestats. Cependant, les caractéristiques de ces derniers peuvent générer des émissions à l’épandage supérieures aux effluents agricoles traditionnels, ce qui impacte le bilan environnemental de la filière et peut limiter l’intérêt environnemental d’une substitution des engrais minéraux par les digestats. Pour optimiser le recyclage agronomique de ces MAFOR1, une option peut être l’application de post-traitements permettant l’optimisation de leur présentation physique pour les adapter aux outils d’épandage existants et une gestion optimisée de certains éléments fertilisants.

Ainsi, ce projet vise à évaluer la possibilité de réduire les fuites vers les milieux lors de l’usage des produits résiduaires organiques, et plus spécifiquement des produits solides issus des filières de méthanisation agricoles et territoriales, par l’amélioration de la présentation physique des produits et de leurs caractéristiques fluidiques.

Le projet RéMiProPHYTE s’attache

- à compléter les approches de bilan environnemental, en améliorant les méthodes de bilan d’émission de certains gaz (CH4, NH3...) vers l’atmosphère lors des phases de post-traitement et

stockage des digestats qui demeurent insuffisantes malgré les programmes en cours. Ces approches devront également intégrer certains aspects à des échelles infra parcellaires (conséquences d’une meilleure répartition au sol),

- à produire des données sur les émissions (NH3 essentiellement et odeurs) lors des étapes de post-traitements ou modifications physiques et lors des étapes de stockage de certaines MAFOR,

les digestats. Les postes ciblés concernent les étapes de séparation de phases (centrifugation), les étapes de séchage et les étapes d’agglomération (granulation),

- à évaluer l’impact potentiel de ces post-traitements sur l’épandabilité des produits (qualité de leur répartition au sol) et sur les émissions (NH3 et odeurs) pendant et après leur épandage.

1.2. L’approche environnementale dans le projet RéMiProPHYTE

La tâche 1 du projet RéMiProPHYTE a pour objectif d’évaluer l’impact des post-traitements des digestats de méthanisation sur le bilan environnemental de leur filière de valorisation agronomique. Cette tâche est constituée de deux sous-tâches.

L’étude de la littérature montre que la majorité des Analyses du Cycle de Vie (ACV) portant sur la filière méthanisation a identifié la réelle nécessité de mieux prendre en compte les émissions atmosphériques au cours des étapes du post-traitement, du stockage et de l’épandage du digestat.

Pour répondre à ce besoin d’intégration de données d’émissions, la sous-tâche 1.1 consiste d’une part à identifier dans un premier temps les postes de post-traitement des digestats de méthanisation agricole pouvant avoir un impact sur le bilan environnemental de la filière. Dans un deuxième temps, le bilan environnemental des filières sera effectué au moyen de l’ACV. La sensibilité des émissions des différents postes identifiés dans les autres tâches du projet (stockage au cours du post traitement, dispersion du

(7)

POST-D’autre part, plusieurs questions se posent sur la substitution des produits organiques par les engrais minéraux, notamment la question du taux de substitution de ces différents produits : l’étude bibliographique montre qu’il n’existe pas aujourd’hui de consensus. Par ailleurs, il existe une mauvaise superposition des périmètres considérés pour les fertilisants minéraux avec ceux des MAFOR. La sous-tâche 1.2 consiste, dans un premier temps, à recenser dans la littérature les différentes méthodes de substitution employées pour substituer les engrais minéraux aux digestats de méthanisation. Des recommandations sur le choix de la méthode de substitution et sur la prise en compte des émissions et rejets lors de l’épandage des digestats seront proposées, en faisant notamment la distinction entre les émissions générées lors de l’épandage de celles générées par la production des engrais minéraux. Cette sous-tâche fait l’objet du second livrable de la tâche 1 du projet RéMiProPHYTE.

1.3. L’Analyse du Cycle de Vie (ACV)

Cette étude utilise la méthode normalisée d’ACV ([1], [2]). Elle suivra donc ses quatre étapes : objectifs et champs de l’étude, inventaire et analyse de l’inventaire, évaluation des impacts, interprétation. Pour une explication plus détaillée de cette méthode, se référer au livrable de la sous-tâche 1.2 du projet [3].

2. Objectif et champ de l’étude de la sous-tâche 1.1

Cette étape permet de définir quels sont les objectifs de l’ACV, en précisant quelle application il en sera faite : écoconception, comparaison des impacts de plusieurs scénarios pour un même système ou déclaration environnementale. Le champ de l’étude doit préciser les fonctions et les frontières du système étudié ainsi que les limites de l’étude. C’est aussi à ce stade que les différentes règles pour les calculs appliqués à l’étude sont arrêtées et que l’unité fonctionnelle est définie.

L’unité fonctionnelle est l’unité de mesure utilisée pour évaluer le service rendu par le produit (ou le service). Elle permet de quantifier la fonction attribuée au système et c’est l’unité à laquelle est rapporté l’ensemble des données d’inventaire. Une juste définition de l’unité fonctionnelle est indispensable pour rendre les résultats de l’ACV opérationnels et pertinents.

2.1. Objectif

L’objectif de cette étude est de réaliser le bilan environnemental de différentes filières de post-traitements de digestats. Pour atteindre cet objectif, il est nécessaire de définir la fonction de ces traitements, pour ensuite définir l’unité fonctionnelle. Seules les fonctions principales seront considérées dans cette étude. Les échanges avec les experts en traitement de digestats du projet ont eu comme finalité la définition de deux fonctions principales et donc de deux unités fonctionnelles.

D’une part, le post-traitement peut servir à faciliter l’élimination du digestat en augmentant sa matière sèche et en réduisant de fait le volume pour qu’il soit moins encombrant et plus facilement transportable et épandable. La fonction ici est donc de traiter un déchet. L’unité fonctionnelle sera une unité fonctionnelle entrante et sera fixée comme « Traiter 1 kilogramme de digestat de méthanisation » (UF1).

D’autre part, ces traitements peuvent être utilisés pour transformer ces déchets en un produit valorisable sous forme d’engrais organique pouvant potentiellement remplacer des engrais minéraux car riches en azote, phosphore et potassium. Toutefois, les textes réglementaires concernant les MAFOR appréhendent le thème de la fertilisation de manière hétérogène. En effet, l’épandage de certaines MAFOR doit respecter des dispositions concernant l’ensemble des éléments fertilisants, et notamment le phosphore, alors que d’autres ne concernent que l’azote. Contrairement à l’azote, il n’existe pas de réglementation nationale ou

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communautaire sur le phosphore, mais des dispositions spécifiques à certains bassins versants comme celui de Loire-Bretagne par exemple. Les besoins des plantes étant 2 à 4 fois plus élevés en azote qu’en phosphore et les MAFOR épandues ayant des proportions en azote et phosphore différentes, raisonner la fertilisation à la fois sur ces deux éléments devient vite un casse-tête, d’autant plus que le phosphore est souvent considéré comme l’élément limitant. Pour cette raison, il a été volontairement choisi de raisonner la seconde unité fonctionnelle sur l’épandage de digestat au regard de la réglementation sur l’azote et non pas sur le phosphore. L’unité fonctionnelle sera donc fixée comme « Epandre un digestat de méthanisation post-traité sur 1 hectare avec pour objectif d’appliquer 170 kilogrammes d’azote par hectare » (UF2).

Il est nécessaire de rappeler ici que ces unités fonctionnelles ne pourront et ne seront pas comparées quantitativement. Elles sont le point de départ de deux études différentes, qui répondent à deux visions différentes de l’utilisation des digestats de méthanisation. Leur comparaison ne peut avoir comme objectifs que de montrer l’importance du choix de la fonction sur les résultats obtenus lors d’une étude en ACV. Néanmoins, ces deux études ont le même cadre méthodologique qui est présenté dans la suite.

2.2. Scénarios et frontières des scénarios

L’objectif étant de comparer différentes filières de post-traitements des digestats de méthanisation, le périmètre de l’étude se limite aux procédés de post-traitements des digestats étudiés dans le projet RéMiProPHYTE et à leur épandage. Seule la phase solide du digestat de méthanisation est prise en compte dans le périmètre du système. La phase liquide du digestat n’étant pas épandue, elle est exclue du système (Figure 1).

Pour évaluer les impacts environnementaux des différentes filières de post-traitements des digestats, il est nécessaire de définir plusieurs scenarios qui seront comparés à un scénario de référence.

Dans cette étude, le scénario de référence (Sréf) sépare la phase solide de la phase liquide par

centrifugation. La phase solide est ensuite stockée et épandue.

A ce scénario sont comparés deux scénarios présentant des phases de post-traitements du digestat différentes. Dans le scénario 1 (S1), après la séparation de phase par centrifugation, la phase solide est

séchée puis stockée avant d’être épandue. Dans le scénario 2 (S2), la phase solide subit une étape

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POST-Figure 1 : Frontières, scénarios et émissions du système étudié (* : émissions prises en compte mais non mesurées)

3. Données d’inventaire et hypothèses de l’étude

Afin de pouvoir évaluer les impacts environnementaux des différents scenarios, un inventaire complet des flux, des procédés, des matériaux et des émissions doit être réalisé. Lorsque des données d’inventaire ne sont pas accessibles (données inexistantes ou difficile d’accès), il est nécessaire d’avoir recours à des hypothèses. Ces dernières peuvent être issues d’expérimentations, basées sur la littérature ou à dires d’experts. Elles seront utilisées pour calculer une moyenne issue de données expérimentales, pour simplifier un modèle d’émissions ou pour mieux définir un paramètre. Dans tous les cas, elles peuvent faire l’objet d’une analyse de sensibilité (§ 5). Après avoir précisé l’origine des données utilisées dans l’étude, seront présentées les données utilisées pour le fonctionnement des étapes de post-traitements et pour l’épandage agricole.

3.1. Origine des données

Le projet RéMiProPHYTE est interconnecté dans ses tâches. La tâche 1 se nourrit ainsi de la plupart des informations des autres tâches (Tableau 1). Ces données sont directement issues d’expérimentations réalisées sur le terrain. Des résultats issus de projets antérieurs, la littérature, les bases de données intégrées au logiciel de modélisation (Ecoinvent, PE International) et des calculs sont utilisés pour compléter l’inventaire lorsque des données sont manquantes.

Energies Frontières du système Production et utilisation des machines agricoles Production et combustion du carburant Emissions dans l’air Légende : Emissions dans l’eau Digestat brut Centrifugation Phase liquide Phase solide Séchage Epandage Stockage Epandage Epandage Stockage Granulation Stockage NH 3 NH 3, N2O, CO2, CH4 NH3, N2O, CO2, CH4 NH 3, N2O, CO2, CH4 NH 3 NH 3 NH 3, N2O* NH 3, N2O* NH3, N2O* NO 3 -*, PO 4 3-* NO 3 -*, PO 4 3-* NO 3 -*, PO 4 3-* S réf S1 S2

(10)

Tableau 1 : Origine des données utilisées dans la tâche 1

Origine Tâche 2 Tâche 3 Tâche 4 Calculs Littérature Projets antérieurs Bases de données Type de données Emissions et énergies au stockage, à la granulation et au séchage Simulation de l'épandage (nombre chargements, distance parcourue…) Emissions à l'épandage (sauf NO3-, N2O, PO4 3-) Energie au séchage Emissions de N2O, NO3 -, PO4 3-Quantité de machines agricoles, émissions des pneus et de la combustion du carburant (ECODEFI) Energies, machines agricoles, carburant

3.2. Les étapes de post-traitements

L’inventaire de toutes les étapes de post-traitement de tous les scénarios est présenté dans le Tableau 2. Il est basé sur le traitement d’un kilogramme de digestat en entrée de centrifugation. Cette manière de présenter l’inventaire correspond donc aux données réelles utilisées pour l’UF1.

Les données utilisées pour l’UF2 sont les mêmes à la quantité de digestat épandu près (

Tableau 3) afin de répondre à l’objectif d’application de 170 kg d’azote/ha.

Tableau 2 : Inventaire de tous les flux et émissions des étapes de post-traitement pour tous les scénarios (par rapport à

1kg de digestat entrant en centrifugation) Unité Centrifugation Séchage Sréf S1 S2 Sréf S1 S2 INPUTS Composition digestat avant étape de traitement MB kg/kg 1 1 1 - 1.10-01 1.10-01 MS kg/kg 3,44.10-02 3,44.10-02 3,44.10-02 2,65.10-02 2,65.10-02 MV kg/kg 2,26.10-02 2,26.10-02 2,26.10-02 1,95.10-02 1,95.10-02 NNH4+ kg/kg 2,55.10-03 2,55.10-03 2,55.10-03 3,02.10-04 3,02.10-04 NTK kg/kg 4,09.10-03 4,09.10-03 4,09.10-03 1,53.10-03 1,53.10-03 Ptot kg/kg 6,80.10 -04 6,80.10-04 6,80.10-04 5,44.10-04 5,44.10-04 Electricité MJ/kg 6,61.10-03 6,61.10-03 6,61.10-03 6,06.10-03 6,06.10-03 Polymères kg/kg 8,60.10-04 8,60.10-04 8,60.10-04 - OUTPUTS Composition digestat après étape de traitement MB kg/kg 1.10-01 1.10-01 1.10-01 - 6,42.10-02 6,42.10-02 MS kg/kg 2,65.10-02 2,65.10-02 2,65.10-02 5,22.10-02 5,22.10-02 MV kg/kg 1,95.10-02 1,95.10-02 1,95.10-02 2,93.10-02 2,93.10-02 NNH4+ kg/kg 3,02.10-04 3,02.10-04 3,02.10-04 1,45.10-04 1,45.10-04 NTK kg/kg 1,53.10-03 1,53.10-03 1,53.10-03 2,58.10-03 2,58.10-03 Ptot kg/kg 5,44.10 -04 5,44.10-04 5,44.10-04 5,44.10-04 5,44.10-04 NH3 kg/kg 2,01.10 -04 2,01.10-04 2,01.10-04 1,90.10-04 1,90.10-04

(11)

POST-Tableau 2 (suite) : Inventaire de tous les flux et émissions des étapes de post-traitement pour tous les scénarios (par

rapport à 1kg de digestat entrant en centrifugation)

Unité Granulation Stockage Sréf S1 S2 Sréf S1 S2 INPUTS Composition digestat avant étape de traitement MB kg/kg - 6,42.10-02 1.10-01 6,42.10-02 6,42.10-02 MS kg/kg 5,22.10-02 2,65.10-02 5,22.10-02 5,04.10-02 MV kg/kg 2,93.10-02 1,95.10-02 2,93.10-02 3,61.10-02 NNH4+ kg/kg 1,45.10-04 3,02.10-04 1,45.10-04 4,96.10-05 NTK kg/kg 2,58.10-03 1,53.10-03 2,58.10-03 1,57.10-03 Ptot kg/kg 5,44.10-04 5,44.10-04 5,44.10-04 5,44.10-04 Electricité MJ/kg 2,54.10-02 - OUTPUTS Composition digestat après étape de traitement MB kg/kg - 6,42.10-02 8,97.10-02 6,46.10-02 6,42.10-02 MS kg/kg 5,04.10-02 2,42.10-02 5,41.10-02 5,04.10-02 MV kg/kg 3,61.10-02 1,68.10-02 3,10.10-02 3,61.10-02 NNH4+ kg/kg 4,96.10-05 3,26.10-04 1,41.10-04 4,96.10-05 NTK kg/kg 1,57.10-03 1,35.10-03 2,38.10-03 1,57.10-03 Ptot kg/kg 5,44.10-04 5,44.10-04 5,44.10-04 5,44.10-04 Emissions directes NH3 kg/kg 1,16.10-04 1,70.10-06 6,71.10-06 - N2O kg/kg - 3,38.10-05 2,45.10-06 CH4 kg/kg 3,03.10-07 2,94.10-06 CO2 kg/kg 2,64.10-03 1,70.10-03

Tableau 3 : Quantité de digestat à épandre pour répondre à l’UF2

Scénario Sréf S1 S2

Quantité à épandre UF2 [kg] 45 016 20 627 22 599

En prenant les étapes de post-traitements dans l’ordre de chronologique de passage du digestat, plusieurs hypothèses ont été définies pour obtenir cet inventaire. Puisque la phase liquide n’entre pas dans les frontières du système, il a fallu définir une allocation des impacts à la phase solide. C’est une allocation massique qui a été choisie (voir §5.1.2). Ainsi, la quantité de solide issue de la centrifugation a été fixée à 10 % massique de la quantité entrante de digestat.

Un polymère est ensuite ajouté afin de faciliter la concentration de la matière sèche. Il est modélisé comme un mélange à parts égales d’acrylonitrile et d’acide acrylique. La quantité d’électricité à fournir est calculée à partir de la puissance du procédé (Tableau 4) fournie à la centrifugation. Cette électricité est modélisée sous la forme du mix énergétique français.

Le séchage demande également un apport énergétique. En effet, les sites de séchage sont généralement couplés aux sites de digestion anaérobie. La chaleur est donc classiquement issue du digesteur. Mais dans cette étude, la production du digestat et donc le digesteur n’est pas intégré dans les frontières du système. N’ayant pas de données expérimentales, l’énergie nécessaire au séchage est calculée à partir des enthalpies de changement d’état de l’eau et d’augmentation de la température entre 70 et 100°C (Tableau 4). Pour rester le plus cohérent avec la réalité, la chaleur est issue d’un biogaz de cogénération.

Le calcul de l’énergie en granulation suit les mêmes hypothèses que pour la centrifugation. L’électricité est également issue du mix énergétique français.

(12)

Pour ces trois premiers procédés, seules les émissions d’ammoniac sont intégrées. Elles sont calculées à partir des bilans d’azote (Tableau 4).

La durée de stockage est fixée à un mois. Pour Sréf et S1, des substances azotées (NH3, N2O) et carbonées

(CH4, CO2) sont émises et comptabilisées. Il n’y a pas d’émissions à cette étape pour le scénario 2. Cette

hypothèse est directement reliée aux analyses effectuées dans la tâche 2.

Tableau 4 : Calculs effectués pour les étapes de traitement du digestat

Etape des scénarios Emissions (azotées et carbonées) Energie Centrifugation

𝑚

𝑁𝐻3

= (𝑚

𝑁_{𝑁𝐻4−𝑒}

− 𝑚

𝑁_{𝑁𝐻4−𝑠}

) ∗

𝑀

_𝑁𝐻₃

𝑀

𝑁

𝐸

𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑖𝑓

=

𝑃

_{𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑖𝑓}

∗ 𝑐

_{𝑝𝑢𝑖𝑠𝑠}

𝑄

𝑣𝑜𝑙

∗ 𝜌

𝑑𝑖𝑔

∗ 3,6

Séchage

𝐸

𝑠é𝑐ℎ

= ∆𝐻

𝐻2𝑂

+ ∆𝐻

70→100

∆𝐻

_𝐻₂_𝑂

=

𝑚

𝐻2𝑂

∗ ∆𝐻

𝑙𝑖𝑞→𝑣𝑎𝑝

3,6

∆𝐻

_70→100

= 𝑚

_𝑑𝑖𝑔

∗ 𝑐

_𝑑𝑖𝑔

∗ ∆𝑇

_70→100 Granulation

𝐸

_{𝑔𝑟𝑎𝑛𝑢}

=

𝑃

𝑔𝑟𝑎𝑛𝑢

∗ 𝑐

𝑝𝑢𝑖𝑠𝑠

𝑄

_{𝑚𝑎𝑠𝑠}

∗ 3,6

Stockage

𝑚

_{𝑠𝑢𝑏𝑠}

= 𝑚

_{𝑎𝑛𝑎𝑙𝑦}

∗

𝑀

𝑠𝑢𝑏𝑠

𝑛

_{𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑠}

∗ 𝑀

_{𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡}

-

Cas particulier du NH3 𝑚𝑁𝐻₃= (𝑚𝑎𝑛𝑎𝑙𝑦_𝑁𝐻3+ 𝑛 ∗ 𝑚𝑠𝑢𝑝𝑝_𝑁𝐻3) ∗ 𝑀𝑠𝑢𝑏𝑠 𝑛𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑠∗ 𝑀𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡 Avec :

msubs [kg] : quantité de substance émise (NH3, N2O, CH4, CO2)

mN-NH4-e / mN-NH4-s [kg] quantité d’azote émise sous forme ammoniacale en entrée/sortie

Msubs [g/mol] : masse molaire de la substance

manaly [kg] : masse de la substance (NH3, N2O, CH4, CO2) issue d’une mesure terrain

n [semaines] : nombre de semaines supplémentaires de stockage (à partir du premier mois de stockage) msuppNH3 [kg/semaine] : masse d’ammoniac émis toutes les semaines (à partir du premier mois de stockage)

Eprocédé [MJ] : Energie nécessaire au procédé

Pprocédé [kW] : Puissance nécessaire au procédé

cpuiss [-] : coefficient de puissance faisant le lien entre puissance théorique et puissance développée

Qvol [L/h], Qmass [kg/h] : débit volumique/massique dans un procédé

dig [kg/m3] : masse volumique du digestat (hypothèse : dig = H2O)

Hliq->vap [MJ] : Enthalpie de vaporisation de l’eau

cdig [MJ/kg/K] : chaleur massique du digestat (hypothèse = 0,002)

(13)

POST-3.3.

L’épandage

L’inventaire pour cette étape de valorisation du digestat est présenté dans le Tableau 5. La valeur de référence est toujours le kilogramme de digestat en entrée de centrifugation. Pour arriver aux valeurs utilisées pour l’UF2, il faut, de la même manière que pour les étapes de post-traitements, utiliser les

quantités de digestats à épandre ( Tableau 3).

Tableau 5 :Inventaire de tous les flux et émissions de l’épandage pour tous les scénarios (par rapport à 1kg de digestat entrant en centrifugation)

Unité Epandage Sréf S1 S2 INPUTS Composition digestat avant étape d’épandage MB kg/kg 8,97.10-02 6,46.10-02 6,42.10-02 MS kg/kg 2,42.10-02 5,41.10-02 5,04.10-02 MV kg/kg 1,68.10-02 3,10.10-02 3,61.10-02 NNH4+ kg/kg 3,26.10-04 1,41.10-04 4,96.10-05 NTK kg/kg 1,35.10-03 2,38.10-03 1,57.10-03 Ptot kg/kg 5,44.10 -04 5,44.10-04 5,44.10-04 Production de matériel agricole Chargeur kg/kg 4,20.10-06 5,50.10-06 4,00.10-06 Epandeur kg/kg 4,00.10-06 6,44.10-06 2,96.10-06 Tracteur kg/kg 1,45.10-06 2,33.10-06 1,22.10-06 Carburant L/kg 2,81.10-04 6,30.10-04 2,97.10-04 OUTPUTS Emissions directes NH3 kg/kg 2,35.10 -04 3,67.10-05 1,44.10-05 N2O kg/kg 2,03.10-05 3,17.10-06 1,24.10-06 NO3 -kg/kg 1,07.10-03 1,58.10-04 7,07.10-05 Emissions liées à la combustion du fuel lors de l’épandage Benzo(a)pyrène kg/kg 1,39.10-12 2,01.10-12 1,20.10-12 C6H6 kg/kg 3,38.10-10 4,89.10-10 2,91.10-10 Cd kg/kg 4,63.10-13 6,70.10-13 3,99.10-13 CH4 kg/kg 5,97.10-09 8,65.10-09 5,15.10-09 CO2 kg/kg 1,44.10 -04 2,09.10-04 1,25.10-04 Cr kg/kg 2,31.10-12 3,35.10-12 2,00.10-12 Cu kg/kg 7,87.10-11 1,14.10-10 6,79.10-11 N2O kg/kg 5,56.10-09 8,05.10-09 4,79.10-09 NH3 kg/kg 9,26.10-10 1,34.10-09 7,99.10-10 Ni kg/kg 3,24.10-12 4,69.10-12 2,79.10-12 Se kg/kg 4,63.10-13 6,70.10-13 3,99.10-13 SO2 kg/kg 4,68.10-08 6,77.10-08 4,03.10-08 Zn kg/kg 4,63.10-11 6,70.10-11 3,99.10-11 HC kg/kg 9,94.10-08 1,46.10-07 8,43.10-08 NOx kg/kg 2,19.10-06 3,11.10-06 1,93.10-06 CO kg/kg 1,49.10-07 2,19.10-07 1,26.10-07 Emissions liées à l’abrasion des pneus lors de l’épandage Cd (sol) kg/kg 1,00.10-10 1,62.10-10 8,14.10-11 Pb (sol) kg/kg 4,34.10-10 7,00.10-10 3,52.10-10 Zn (sol) kg/kg 2,67.10-09 4,31.10-09 2,17.10-09

(14)

Comme l’épandage se déroule de la même façon pour tous les scénarios, seules les valeurs des paramètres changent. Les hypothèses sont donc les mêmes pour les trois scénarios.

La simulation de l’épandage se déroule sur une parcelle de 3,29 hectares (Annexe 1) avec pour objectif une unité d’azote de 170 kg/ha. Un tracteur tire un épandeur qui est rechargé en digestat quand il est vide. L’épandage est donc stoppé à ce moment-là et le tracteur retourne en début de parcelle où se trouve le chargeur. Celui-ci ne roule pas pendant le chargement et chaque chargement dure 10 minutes.

D’après les mesures réalisées dans la tâche 2, la bouffée à l’épandage est supposée négligeable. Le surdosage est uniquement pris en compte pour les émissions de nitrates (Tableau 6). Le sous-dosage n’est pas pris en compte. La répartition des émissions lors de l’épandage (N2O, NO3

-, PO4

3-) est issue d’un modèle de l’INRA (Annexe 2). Il se base sur des pourcentages d’émissions d’une substance par rapport à la quantité initiale de l’élément atomique correspondant dans le digestat.

Il y a donc des émissions azotées (NH3, N2O, NO3

-) et phosphatées (PO4

3-_{) à l’épandage. A ces émissions}

s’ajoutent celles de métaux lourds issus de l’abrasion des pneus (Cd, Pb, Zn) des équipements agricoles (tracteur, épandeur, chargeur). La quantité utilisée de ces équipements est également prise en compte ajoutant des émissions dues à leur fabrication (matières premières, procédés de fabrication…). La même méthodologie est appliquée au carburant : les émissions dues à la production et la combustion de celui-ci sont prises en compte.

(15)

POST-Tableau 6 :Calculs effectués pour l’épandage

Postes d’émissions Epandage

Emissions azotées NH3

𝑚

_𝑁𝐻 3

=

𝑃

_{𝑉𝑜𝑙𝑎𝑡𝑁𝐻} 3

100 ∗ 𝑚

𝑁𝑁𝐻4 N2O

𝑚

𝑁₂𝑂

=

𝑃

_𝑁𝐻₃

𝑃

𝑁2𝑂

∗ 𝑚

𝑁𝐻3

∗

𝑀

_𝑁

𝑀

𝑁𝐻3

∗

𝑀

𝑁2𝑂

2 ∗ 𝑀

𝑁 NO3-

𝑚

𝑁𝑂₃−

=

𝑃

𝑁𝐻3

𝑃

_𝑁𝑂₃−

∗ 𝑚

𝑁𝐻3

∗

𝑀

_𝑁

𝑀

_𝑁𝐻₃

∗

𝑀

_𝑁𝑂₃−

𝑀

_𝑁

∗ (1 +

𝑃

_{𝑠𝑢𝑟−𝑑𝑜𝑠}

100 )

Emissions phosphatées PO4 3-

_𝑚

𝑃𝑂43−

=

𝑃

_𝑃𝑂₄3−

100 ∗ 𝑚

𝑃

∗

𝑀

_𝑃𝑂₄3−

𝑀

𝑃 Carburant

𝐸𝑚

_{𝑠𝑢𝑏𝑠}

= 𝐹𝐸

_{𝑠𝑢𝑏𝑠}

∗ 𝑉

_𝑡𝑜𝑡

∗ 𝑈𝐹

𝑉

𝑡𝑜𝑡

= 𝑉

𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒𝑢𝑟

∗ 𝑛

𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔

∗ 𝑡

𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔

+

𝑉

_{𝑡𝑟𝑎𝑐𝑡𝑒𝑢𝑟}

∗ 𝑑

𝑣

_{𝑚𝑎𝑐ℎ𝑖𝑛𝑒} Epandeurs et tracteurs

𝑄

é𝑞𝑢𝑖𝑝

=

𝐹𝐸

_{é𝑞𝑢𝑖𝑝}

∗ 𝑑

𝑣

_{é𝑞𝑢𝑖𝑝}

∗ 𝑈𝐹

Chargeur

𝑄

_{𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒𝑢𝑟}

= 𝐹𝐸

_{𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒𝑢𝑟}

∗ 𝑛

_{𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔}

∗ 𝑡

_{𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔}

∗ 𝑈𝐹

Abrasion des pneus

𝑄

_{𝑝𝑛𝑒𝑢𝑠}

𝑠𝑢𝑏𝑠

= (𝐹𝐸

𝑡𝑟𝑎𝑐𝑡𝑠𝑢𝑏𝑠

∗

𝐹𝐸

𝑡𝑟𝑎𝑐𝑡𝑒𝑢𝑟

∗ 𝑑

𝑣

+ 𝐹𝐸

é𝑝𝑎𝑛𝑑𝑠𝑢𝑏𝑠

∗

𝐹𝐸

_{é𝑝𝑎𝑛𝑑𝑒𝑢𝑟}

∗ 𝑑

𝑣

) ∗ 𝑈𝐹

Pvolat,NH3 [%] : Pourcentage d’ammoniac volatilisé par rapport à l’azote ammoniacal lors de l’épandage

Psubs [%] : Pourcentage de l’azote/phosphore émis sous forme de la substance (ex : PNH3 pour de l’ammoniac) (issu

d’un modèle de l’INRA)

Psur-dos [%] : Pourcentage de surdosage lors de l’épandage du digestat

Emsubs [kg] : Emission de la substance lors de la combustion du carburant

FEsubs [kg/Lcarbu] : Facteur d’émission d’une substance

Vtot [L] : Volume total de carburant consommé

UF [-] : Facteur dépendant de l’unité fonctionnelle choisi (rapporté à 1 kg de digestat pour UF1 et à 1 hectare pour UF2)

Véquip [L/h] : consommation de carburant de l’équipement

ncharg [-] : nombre de chargements

tcharg [h] : temps d’un chargement

véquip [km/h] : vitesse de l’équipement

Qéquip [kg] : quantité d’équipement utilisé

FEéquip [kg/h] : Facteur d’émission de l’équipement

Qpneussubs [kg] : quantité de substance émise lors de l’abrasion des pneus

FEéquipsubs [kg/kgéquip] : Facteur d’émission d’une substance lors de l’abrasion des pneus de l’équipement

d [km] : distance parcourue lors de l’épandage vtracteur [km/h] : vitesse du tracteur lors de l’épandage

(16)

4. Résultats

La modélisation de chaque scenario a été réalisée grâce au logiciel GaBi (version 6.115). La méthode CML 2001 (janvier 2016) est utilisée pour comparer les impacts environnementaux de chaque scénario. Pour assurer l’approche multicritère de l’ACV, cette méthode possède onze catégories qui évaluent différents impacts environnementaux (Tableau 7).

Tableau 7 : Catégories d’impacts de la méthode CML 2001 (eq : équivalent)

Catégorie d’impact Unité Commentaires

Epuisement des ressources

naturelles AD elements kg Sbeq Diminution de la disponibilité des ressources en raison de leur utilisation en dehors du taux de

renouvellement / remplacement Epuisement des ressources

fossiles AD fossil MJ Acidification kg SO2eq

Evaluation des effets acidifiants des émissions anthropiques (NOx, SO2, NH3)

Eutrophisation kg Phosphateeq

Evaluation des effets causés par l'accumulation de nutriments

Changement climatique GW kg CO2eq Evaluation des effets causés par le rejet de gaz

à effet de serre sur le changement climatique Destruction de la couche

d’ozone OD kg R11eq

Evaluation de l'appauvrissement de la couche d'ozone stratosphérique due aux émissions anthropiques de substances appauvrissant la

couche d'ozone (en particulier les CFC) Création d’ozone

photochimique POC kg Ethèneeq

Evaluation des effets du smog sur l'homme et l'environnement causés par les COV, le CO et

les NOx

Toxicité humaine HT kg DCBeq

Évaluation des effets toxiques de substances sur les humains

Toxicité marine MAET kg DCBeq

Evaluation des effets toxiques de substances sur un écosystème

Toxicité d’eau douce FAET kg DCBeq

Toxicité terrestre TET kg DCBeq

4.1. Résultats pour l’unité fonctionnelle n°1 (UF

1

)

4.1.1. Comparaison globale des scénarios

Pour cette unité fonctionnelle (UF1), un kilogramme de digestat entre dans le système pour être soumis aux

post-traitements des différents scénarios puis être épandu. Les résultats obtenus pour l’UF1 sont

représentés sur la Figure 2. Ce graphique présente toutes les catégories d’impacts (CI). Les résultats sont représentés par rapport au scénario le plus impactant (ramené à 100 %) pour chaque CI. Le scenario le plus impactant peut être différent selon les CI.

(17)

POST-Figure 2 : Comparaison des impacts des scénarios pour l’UF1 et pour toutes les catégories

Une tendance se dégage de ces premiers résultats. Le scénario S2 est le scénario le plus impactant devant

S1 puis Sréf. Cette tendance ne se vérifie toutefois pas pour les catégories de changement climatique (GW),

d’eutrophisation et d’acidification où la hiérarchie entre les scénarios est différente, Pour le changement climatique, le scenario Sréf est le plus impactant suivi par S1 et S2. Pour l’acidification, le scénario le plus

impactant est S2 suivi par Sréf puis S1 tandis que pour l’eutrophisation, le scénario le plus impactant est Sréf

suivi par S2 puis S1. Cependant, ces résultats ne peuvent être exploités sans entrer dans les détails.

4.1.2. Comparaison détaillée des scénarios

La Figure 3 présente donc la contribution des procédés de chaque scénario à ces impacts. Elle permet d‘identifier quels sont les procédés les plus contributeurs par chaque scénario et chaque CI. Plusieurs tendances ressortent de ce graphique.

0% 20% 40% 60% 80% 100% Sréf S1 S2

(18)

Figure 3 : Contribution des procédés aux impacts de chaque scénario (de gauche à droite Sréf, S1 et S2) de l’UF1, pour

toutes les CI

 Pour les catégories de toxicités (HT, MAET, FAET, TET), d’OD, de POC, d’AD fossil et elements Pour ces catégories, S2 est le plus impactant avant S1 et Sréf. Le scénario de référence se retrouve le moins

impactant car il possède le moins d’étapes de post-traitement consommant de l’énergie (séchage, granulation). Dans le détail, c’est la consommation électrique lors de la granulation qui est responsable de la différence entre les impacts de S2 et des autres scénarios.

Pour les catégories de déplétions des ressources, l’utilisation d’électricité lors des étapes de post-traitement mises en œuvre dans les scénarios 1 et 2 explique que cet impact soit plus élevé par rapport au Sref. La

consommation de polymères est également fortement contributrice pour les impacts POC et AD fossil mais elle contribue de manière équivalente quel que soit le scénario étudié.

Pour les catégories de toxicités, ce sont les émissions de métaux lourds lors de la production de l’électricité

0% 20% 40% 60% 80% 100% Diesel Productions machines agricoles Emissions épandage Stockage Electricité granulation Granulation Chaleur Séchage Séchage Polymères en centrifugation Electricité centrifugation Centrifugation

(19)

POST-Enfin pour OD et POC, ce sont les halogènes émis par la consommation de carburants et d’électricité qui impactent les scénarios. S2, consommant plus d’électricité, est le plus impactant.

 Pour le changement climatique (GW)

Cette catégorie est la seule à avoir une hiérarchie des scénarios différente des autres CI. Ici, Sréf est le

scénario le plus impactant devant S1 et S2. La différence est de l’ordre de 80 %. La Figure 4 permet

d’approfondir l’analyse pour cette catégorie en détaillant les substances émises pour chaque scénario.

Figure 4 : Contribution des substances émises aux impacts de chaque scénario pour le changement climatique

Cela permet de se rendre compte que les émissions de N2O à l’épandage (25% pour le Sréf) et surtout

celles de N2O et de CO2 au stockage (70% pour le Sréf) ont le plus d’impacts. Deux effets peuvent expliquer

ces résultats.

D’une part, les digestats épandus dans S1 et S2 sont moins riches en azote que pour Sréf, celui-ci ayant été

volatilisé sous forme de NH3 au cours des post-traitements. Il y a moins d’azote disponible, donc moins de

N2O émis à cette étape dans S1 et S2 que dans Sréf. D’autre part, les étapes de post-traitements changent

les propriétés intrinsèques du produit (tel que le taux d’humidité ou la flore bactérienne). Celui-ci n’a alors plus les mêmes capacités à émettre du N2O.

0 0.004 0.008 0.012 0.016 0.02 Sréf S1 S2 kgCO2eq N2O (épandage) N2O (stockage) CO2 (stockage) CO2 (électricité granulation) CO2 (chaleur séchage) CO2 (centrifugation)

(20)

 Pour l’acidification et l’eutrophisation

Pour ces catégories, une même explication aboutit à deux tendances différentes.

Pour l’eutrophisation, Sréf est le scénario le plus impactant avant S2 et S1. Pour expliquer cela, la Figure 5

présente les contributions pour tous les scénarios des substances émises impactant sur l’eutrophisation.

Figure 5 : Contribution des substances émises aux impacts de chaque scénario pour l’eutrophisation

Outre les phosphates qui impactent de la même manière quel que soit le scénario, ce sont l’ammoniac et les nitrates qui impactent cette catégorie. Il est possible d’identifier un transfert partiel des émissions d’ammoniac de l’épandage (Sréf) vers les étapes de post-traitements (séchage pour S1 et S2, et granulation

pour S2) comme vu pour le changement climatique. C’est la différence des impacts des nitrates qui est la

plus nette et est liée au changement des propriétés intrinsèques du digestat lors des étapes de post-traitement. Un changement de hiérarchie entre les scénarios est donc observé pour ces raisons pour cette catégorie.

Pour l’acidification, S2 est le scénario le plus impactant avant Sréf et S1. Comme seul le NH3 influe sur cette

0.00E+00 5.00E-05 1.00E-04 1.50E-04 2.00E-04 2.50E-04 3.00E-04 Sréf S1 S2 kgPO43-eq Phosphates NH3 (épandage) Nitrates NH3 (granulation) NH3 (séchage) NH3 (centrifugation)

(21)

POST-scénarios. Celui est essentiellement lié au fait que pour S2, les émissions de NH3 interviennent

essentiellement lors de la granulation. Ainsi, S1 se retrouve donc moins impactant que Sréf et que S2.

4.2. Résultats pour l’unité fonctionnelle n°2 (UF

2

)

4.2.1. Comparaison globale des scénarios

Pour cette UF, du digestat est épandu sur un hectare avec comme objectif d’appliquer 170 kg d’azote/ha. La quantité de digestat en entrée de centrifugation est donc différente selon les scénarios. La Figure 6 montre les résultats pour cette UF2.

Figure 6 : Comparaison des impacts des scénarios pour l’UF2 et pour toutes les catégories

Une tendance générale se dégage pour cette UF : S2 est le scénario le plus impactant alors que S1 et Sréf

ont des impacts quasiment équivalents. Cette tendance ne se confirme pas pour les catégories de changement climatique, d’eutrophisation et d’acidification où Sréf est le scénario le plus impactant.

Pour permettre une analyse plus fine de ces tendances, la Figure 7 présente les contributions des procédés aux impacts de chaque scénario.

0% 20% 40% 60% 80% 100% Sréf S1 S2

(22)

4.2.2. Comparaison détaillée des scénarios

Figure 7 : Contribution des procédés aux impacts de chaque scénario (de gauche à droite Sréf, S1 et S2) de l’UF2, pour

toutes les CI

 Pour les catégories de toxicités (HT, MAET, FAET, TET), d’OD, de POC, d’AD fossil et elements Pour ces catégories d’impact, S2 est le scénario le plus impactant avant S1 et Sréf qui ont des contributions à

peu près équivalentes. Dans le détail, c’est la consommation électrique lors de la granulation qui est responsable de la majeure partie des impacts de S2 et qui fait la différence avec les autres scénarios.

Pour les catégories de déplétions des ressources, on retrouve les mêmes tendances et explications que pour l’UF1 à savoir que l’utilisation d’électricité lors des étapes de post-traitement mises en œuvre dans les

scénarios 1 et 2 explique que cet impact soit plus élevé par rapport au Sref. La consommation de polymères

est également fortement contributrice pour les impacts POC et AD fossil et contribue plus fortement pour le Sref que pour les autres scénarios.

Pour les catégories de toxicités, ce sont les émissions de métaux lourds lors de la production d’électricité qui sont responsables des impacts. Le scénario S2, utilisant le plus d’électricité, est celui-ci qui est le plus

impacté. L’abrasion des pneus, comme pour l’UF1, n’a pas d’impacts significatifs. 0% 20% 40% 60% 80% 100% Diesel Productions machines agricoles Emissions épandage Stockage Electricité granulation Granulation Chaleur Séchage Séchage Polymères en centrifugation Electricité centrifugation Centrifugation

(23)

POST- Pour l’acidification, l’eutrophisation et le changement climatique Pour ces catégories d’impact, Sréf est le scénario le plus impactant.

Les émissions pour l’acidification (NH3) et l’eutrophisation (NH3, PO4

et NO3

-_{) lors de l’épandage ont plus}

d’impacts que les émissions (NH3) lors des phases de post-traitements. Au phénomène de changement de

propriétés intrinsèques du digestat s’ajoute la quantité plus importante de produit épandu dans Sréf que

dans les autres scénarios pour un même objectif d’unité d’azote (170 kg/ha). Ce scénario est alors le plus impacté pour ces deux catégories.

Pour le changement climatique, les émissions importantes au stockage (N2O, CO2) font la différence entre

les scénarios. L’explication est la même que pour l’UF1 (§4.1.2).

4.3. Conclusions communes aux deux UF

A partir des premiers résultats analysés pour ces deux unités fonctionnelles, il est possible de montrer l’impact prédominant de plusieurs postes d’émissions. C’est le cas de la consommation électrique en granulation pour les catégories de toxicités, de ressources (AD) et pour OD et POC. C’est le cas également des émissions à l’épandage pour les catégories d’acidification, d’eutrophisation et de changement climatique ainsi que de la production des machines agricoles (AD elements) et de la production de carburant (AD fossil et OD). Pour le changement climatique, les émissions au stockage sont également importantes. L’impact des émissions au séchage (acidification) ainsi que les impacts de l’énergie nécessaire à cette étape (AD elements et POCP) sont également non négligeables.

Ces conclusions vont permettre d’aller plus loin dans l’analyse des scénarios : une analyse de sensibilité va pouvoir être faite en se focalisant sur les paramètres pouvant avoir une influence sur les procédés les plus impactants.

5. Analyse de sensibilité

Une analyse de sensibilité peut être réalisée pour plusieurs raisons. Elle peut se focaliser sur des paramètres de modélisation afin de fournir une évaluation de la sensibilité des résultats par rapport à la méthodologie adoptée. C’est dans cette optique que deux unités fonctionnelles ont été définies pour cette étude.

Une analyse de sensibilité peut également servir à donner des renseignements sur l’influence d’un paramètre opératoire sur les résultats d’impact des scénarios. Elle peut alors prendre en compte la variabilité de certaines données (temps de stockage) ou les incertitudes liées à des données difficilement accessibles (consommations électriques).

Ces analyses ont plusieurs objectifs. Dans le cas des analyses de sensibilité sur les paramètres de modélisation, il est nécessaire de s’assurer de l’influence de certains choix méthodologiques sur les résultats. Dans le cas de l’analyse de sensibilité sur des paramètres opératoires, la confiance relative au niveau des données et l’importance que leurs impacts ont sur les premiers résultats incite à aller dans les détails pour voir si une connaissance plus fine de ces données pourrait permettre un changement de tendances global.

Le Tableau 8 présente les paramètres qui seront soumis à une analyse de sensibilité en fonction de ces deux objectifs.

(24)

Tableau 8 : Objectifs des analyses de sensibilité et paramètres analysés correspondants

Objectifs de l’analyse de sensibilité

Analyse des choix méthodologiques

Analyse sur les paramètres opératoires Paramètres analysés  Allocation de la centrifugation  Unités fonctionnelles  Consommation électrique lors de la granulation  Temps de stockage  Facteurs d’émissions NO3- et N2O à l’épandage

5.1. Analyse de sensibilité sur les choix méthodologiques

A la vue des hypothèses de l’étude et des résultats présentés précédemment, deux paramètres de modélisation pourraient avoir une influence sur les résultats : le choix de l’unité fonctionnelle (UF) et le choix de l’allocation de la centrifugation. Ces deux paramètres vont être analysés dans la suite.

5.1.1. Comparaison des tendances des deux unités fonctionnelles

L’intention, ici, n’est pas de comparer quantitativement les résultats des deux UF mais de voir si la fonction de l’étude peut avoir une influence sur ses résultats. Cela peut ainsi renforcer l’attention portée au choix de la fonction d’un système. La Figure 8 montre l’évolution des impacts, par catégorie, en passant d’une UF à une autre. Il faut rappeler avant toute analyse que ces résultats sont qualitatifs. Une hausse d’impacts, pour un scénario, d’une UF à une autre est une hausse relative : ses impacts auront augmenté relativement aux autres scénarios.

(25)

POST-Figure 8 : Comparaison des impacts pour chaque scénario en fonction de l’unité fonctionnelle (UF) choisie (> : impacts supérieurs à)

Une tendance principale se dégage de cette comparaison. Il s’avère que pour Sréf, les impacts sont

relativement toujours plus importants en choisissant l’UF2. En conséquence, il y a une baisse relative des

impacts pour S1 et S2 en passant de l’UF1 à l’UF2.

Ces résultats s’expliquent par la quantité de digestats à fournir pour chaque scenario, qui diffère selon l’UF choisie. En effet, l’UF1 fixe la quantité de digestat à 1 kg en entrée de système. Les différences de bilan tout

au long des scénarios sont alors de 28% (Tableau 9). Dans le cas de l’UF2, une quantité d’azote à apporter

au sol et donc une quantité de digestat à apporter au sol est fixée. Il y alors une plus nette différence de digestats à apporter en épandage pour l’UF2 (Tableau 9).

Tableau 9 : Bilans massiques en entrée d’épandage Scénario Sréf S1

(Baisse par rapport à Sréf)

S2

(Baisse par rapport à Sréf)

Quantité à épandre UF1 [g] 89,7 64,6 (-28 %) 64,6 (-28 %) Quantité à épandre UF2 [kg] 45016 20 627 (-54 %) 22 599 (-50 %) 0% 20% 40% 60% 80% 100%

UF1 > UF2

UF2 > UF1

(26)

Ces différences sur les bilans massiques de l’UF2 se répercutent sur les étapes précédentes où une plus

grande quantité de digestat doit être séparée et stockée pour Sréf et où proportionnellement une moins

grande quantité de digestat doit être séchée et granulée pour S1 et S2.

Ces changements ont une certaine influence sur les conclusions. Ils pourraient inverser une tendance, rendre une conclusion moins nette (acidification, ADP elements) ou ne changer que marginalement les tendances. Mais dans tous les cas, les différences d’impacts, d’une UF à une autre, ne sont qu’au maximum de 25 %.

Deux conclusions peuvent donc être tirées de cette analyse. D’une part, le choix de l’unité fonctionnelle, primordial en ACV, a une influence faible mais non négligeable sur les résultats pour certaines catégories d’impacts pour cette étude. Il est donc important de faire attention au choix de l’UF ou tout du moins toujours rappeler quel choix méthodologique a été fait quand des résultats sont présentés.

D’autre part, les changements observés sont au maximum de 25 % et plus généralement autour de 10 % en passant d’une UF à une autre. La modélisation est donc peu sensible vis-à-vis du choix de l’unité fonctionnelle. A partir de cette conclusion, et pour simplifier les analyses, seule l’UF2 sera présentée pour

les études de sensibilité qui suivent.

5.1.2. Allocation de la centrifugation

La centrifugation est un procédé de séparation permettant de séparer le produit en une phase solide riche en matière sèche (MS) et une phase liquide ayant une teneur en MS très faible. Comme vu lors de la présentation des frontières du système (§ 2.2), cette dernière phase n’est pas étudiée. Le procédé de centrifugation aboutissant à deux sous-produits dont un qui n’est pas étudié, une hypothèse d’allocation est nécessaire. Dans un premier temps, une allocation massique classique a été choisie. Elle répond à la fonction du procédé : séparer deux masses distinctes. Comme 10 % de la masse initiale se retrouve dans la phase solide, 10 % des impacts de la centrifugation ont été affectés à la phase solide.

Néanmoins, cette allocation ne répond pas à la fonction principale de la centrifugation qui est de concentrer la MS dans la phase solide. En effet, après cette étape, le taux de MS passe de 3,4 % dans le digestat à 77 % dans la phase solide. Il est donc possible de faire une allocation sur le taux de capture de MS de la centrifugation. C’est pour déterminer si ce choix a une influence sur les résultats qu’une analyse de sensibilité sur ce paramètre est réalisée.

Tableau 10 : Evolution de la part des impacts de la centrifugation par rapport aux impacts totaux des scénarios

Catégorie

d’impact Sréf

Evolution avec une allocation de 77 %

(Sréf 77 %)

S1

Evolution avec une allocation de 77 %

(S1 77 %)

S2

Evolution avec une allocation de 77 % (S2 77 %) AD elements 25% + 47% 14% + 41% 14% + 41% AD fossil 64% + 29% 51% + 38% 35% + 45% Acidification 9% + 35% 9% + 35% 7% + 29% Eutrophisation 3% + 16% 4% + 22% 4% + 20% GW 1% + 8% 4% + 22% 8% + 33% OD 6% + 25% 4% + 20% 3% + 15% POC 43% + 42% 25% + 47% 20% + 46% HT 23% + 46% 17% + 44% 4% + 20%

(27)

POST-Le Tableau 10 permet d’analyser en détail l’évolution de la part que prennent les impacts de la centrifugation par rapport aux impacts totaux. En effet, dans les cas où la centrifugation avait peu d’impacts sur une catégorie (moins de 5 %), l’évolution est relativement faible (au maximum + 23 % pour TET pour S2) alors que dans les cas où elle avait plus de 5 % d’impacts, l’évolution est très importante allant même

jusqu’à une augmentation de +47 % (AD elements pour Sréf). Si ces évolutions sont particulièrement

importantes pour Sréf, à cause de la quantité de digestats en entrée de centrifugation pour ce scénario, elles

restent vraies pour les autres scénarios. Pour avoir une vision globale de l’influence du choix méthodologique de l’allocation, il faut regarder si les tendances générales des résultats changent.

Figure 9 : Comparaison des impacts pour les scénarios initiaux (Sréf, S1, S2) et ceux prenant en compte l’allocation sur

le taux de capture de la MS (Sréf 77 %, S1 77 %, S2 77 %)

La Figure 9 présente ces tendances globales. Elle est construite de manière à ce que la référence (100 %) soit toujours le scénario le plus impactant pour chaque trio de scénario (Sréf, S1, S2 et Sréf 77 %, S1 77 %, S2

77 %).

En combinant ces deux analyses, il est ainsi possible de percevoir l’influence du choix d’allocation pour la centrifugation. En gardant tous les paramètres égaux par ailleurs, les tendances initiales restent relativement identiques. En effet, la hiérarchie change pour les catégories qui étaient le plus sensible initialement aux impacts de la centrifugation (AD elements, AD fossil, POC) à cause de l’augmentation des impacts des polymères et de l’énergie, mais les écarts d’impacts entre scénarios restent très faibles. Et pour toutes les autres catégories, le changement d’allocation ne change ni la hiérarchie entre les scénarios ni les principales conclusions.

0% 20% 40% 60% 80% 100% Sréf Sréf 77 % S1 S1 77 % S2 S2 77 %

(28)

Finalement, malgré une fluctuation quantitative des impacts en changeant le choix de l’allocation, les tendances qualitatives restent identiques. Cette conclusion révèle ainsi que les impacts de la centrifugation sont sensibles à ce paramètre, mais pas le modèle dans son ensemble.

5.2. Analyse d’incertitudes

Au regard de la Figure 6 et de la Figure 7, plusieurs procédés ont un impact prépondérant sur les impacts totaux d’un ou de plusieurs scénarios. C’est vers ces procédés que l’analyse d’incertitude va se concentrer. Dans l’ordre chronologique du passage du digestat, les étapes de granulation, de stockage et d’épandage sont testées. Le Tableau 11 présente les paramètres sur lesquels sera effectivement faite l’analyse d’incertitude.

Tableau 11 : Procédés subissant une analyse d’incertitudes et paramètres testés associés

Procédé Granulation Stockage Epandage

Paramètre utilisé Rapport entre coefficient de puissance et débit massique

Temps de stockage

Pourcentages de volatilisation de NO3- et de N2O

Référence (voir Tableau 4

et Tableau 5)

𝑥 =

𝑐

_{𝑝𝑢𝑖𝑠𝑠}

𝑄

_{𝑚𝑎𝑠𝑠} n  PPNO3-N2O

Valeur(s) testée(s) 0,12 24 semaines  0 à 30 % pour NO3

- 0 à 1,75 % pour N2O

5.2.1. Procédé de granulation

Le procédé de granulation est au cœur de la problématique de l’étude. C’est un procédé de post-traitement du digestat qui doit permettre une compaction rendant l’épandage plus facile à maîtriser et les émissions moins importantes. Les résultats précédents ont montré qu’autant au niveau de l’épandage (diesel, machines agricoles) qu’au niveau des émissions au stockage, il y avait une nette diminution des impacts pour S2 par rapport au scénario de référence. Mais les impacts de l’électricité nécessaire à la granulation

sont prépondérants dans les impacts du scénario S2. Il est donc nécessaire de s’intéresser précisément au

calcul de ce paramètre.

La quantité d’énergie à apporter au procédé de granulation est calculée à partir de sa puissance, de son débit et d’un coefficient de puissance réel. La puissance du procédé est fixée par ses caractéristiques alors qu’autant son débit que le coefficient de puissance sont des données issues d’expertises et d’analyses. Ils sont donc soumis à des variations selon les tests et la pratique. Il y a alors une incertitude sur le rapport entre le coefficient de puissance et le débit du procédé (noté x). Afin de déterminer l’influence de x sur les impacts du scénario S2, une valeur distincte de la valeur initiale (0,6) est testée : x = 0,12. Cette valeur,

même si elle est soumise à des conditions d’utilisation de la granulation hypothétiques, pourrait se rapprocher d’une valeur cible intéressante. Elle correspond à une puissance identique à celle utilisée lors des expérimentations mais avec un débit cinq fois plus important.

(29)

POST-Figure 10 : Contribution des procédés aux impacts de chaque scénario (de gauche à droite Sréf, S1, S2 et S2,x=0,12) de

l’UF2, pour 8 CI

Pour toutes ces catégories, l’impact de l’électricité en granulation diminue drastiquement (jusqu’à -70 % pour MAET). Cette diminution permet au scénario avec granulation d’être plus compétitif sur toutes les CI par rapport aux autres scénarios (Figure 11).

0% 20% 40% 60% 80% 100% Diesel Productions machines agricoles Emissions épandage Stockage Electricité granulation Granulation Chaleur Séchage Séchage Polymères en centrifugation Electricité centrifugation Centrifugation

(30)

Figure 11 : Comparaison des impacts des scénarios pour l’UF2 et pour toutes les catégories

En effet, pour les catégories AD elements, AD fossil, OD, POC et TET, S2 était le scénario le plus impactant.

Avec une diminution de la consommation électrique de S2, il y a un changement de hiérarchie entre

scénarios : soit Sréf, soit S1 deviennent les scénarios les plus impactants.

L’influence de x est donc relativement importante sur les résultats globaux de l’étude. Une meilleure détermination de ce paramètre est indispensable. Cela pourrait être possible en faisant des tests plus poussées sur le procédé de granulation et ainsi obtenir un optimum entre le coefficient de puissance de l’outil et son débit massique.

5.2.2. Stockage

Dans les hypothèses initiales, le digestat était stocké un mois pour tous les scénarios. Néanmoins, dans le cas de plans d’épandages ou pour accumuler le digestat, le stockage peut durer plus longtemps. En prenant en compte le fait que l’épandage se fasse principalement deux fois dans l’année (automne et printemps), un stockage moyen de six mois peut être envisagé. Des émissions supplémentaires, à celles carbonées (CO2, CH4) et azotées (NH3, N2O) produites lors du premier mois, sont alors possibles. Les

données intégrées dans le modèle de cette étude sont issues d’analyses effectuées dans la tâche 2 de ce

0% 20% 40% 60% 80% 100% Sréf S1 S2 avec x=0,12

(31)

POST-Tableau 12 : Résultats bruts des analyses d’émissions au stockage

Emissions sur produit brut au stockage

Emissions Unité Sréf S1 S2 De 0 à 1 mois CCH4 gC/tMB 2,534 34,31 - CCO2 gC/tMB 8030 7237 -NNH3 gN/tMB 15,57 86,00 -NN2O gN/tMB 239,8 24,30

-Par semaine de stockage

supplémentaire NNH3 gN/tMB 0,2440 - -

Ces résultats montrent qu’après un mois, des émissions d’ammoniac sont encore possible pour Sréf. Une

étude de sensibilité sur ce paramètre est donc nécessaire pour voir l’influence de 6 mois de stockage supplémentaires. L’ammoniac n’ayant des impacts que sur l’acidification, l’eutrophisation et la toxicité humaine (HT), seules ces trois catégories sont étudiées dans le Tableau 13.

Tableau 13 : Evolution de la part du stockage dans les impacts totaux de Sréf en augmentant le temps de stockage

Catégorie d’impact

Pourcentage des impacts du stockage dans les impacts globaux de la CI

Au bout de 1 mois Au bout de 6 mois Acidification 0,645 % 0,888 % Eutrophisation 3,279 % 3,354 % HT 0,095 % 0,130 %

Ce tableau permet de se rendre compte qu’un temps de stockage plus long ne change rien à la part que prend cette étape dans les impacts globaux du scénario de référence. L’influence du temps de stockage (après un mois) est donc négligeable.

5.2.3. Facteurs d’émissions de NO

3-

et de N

2

O à l’épandage

Les impacts des émissions des composés azotés à l’épandage sont une part importante des impacts totaux de certains scénarios pour les catégories d’acidification, d’eutrophisation, de changement climatique (GW) et de création d’ozone photochimique (POC) (Figure 7). Ces composés azotés sont l’ammoniac (NH3), les

nitrates (NO3

-_{) et le protoxyde d’azote (N} 2O).

Les données pour l’ammoniac sont issues d’analyses effectuées lors de la tâche 4 de ce projet. Elles sont donc considérées comme fiables.

Pour les nitrates et le protoxyde d’azote, un modèle prédictif a été utilisé (Annexe 2). Ce modèle est soumis à des hypothèses qui ne sont pas toujours remplies dans le cadre du projet RéMiProPHYTE. Afin de valider les résultats et de montrer l’influence que peut avoir ce modèle sur l’étude, une analyse de sensibilité est menée sur les facteurs d’émissions des substances (PNO3- et PN2O).

La borne inférieure pour les deux paramètres est 0 % (pas d’émission). Les bornes supérieures sont de 30 % pour PNO3- et 1,75 % pour PN2O, et correspondent aux valeurs maximales préconisées par le GIEC [4].

Ces deux substances n’impactant que les catégories d’eutrophisation (pour les deux) et de changement climatique (pour N2O), seules ces deux catégories seront présentées dans les résultats qui suivent.