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Valoriser la méthanisation en agriculture, une incessante question d’équilibres

Production de biogaz et de digestat utile à la fertilisation des cultures, nouvelle filière de revenus pour les exploitations agricoles, lutte contre les dérèglements climatiques… la méthanisation possède de nombreux atouts pour inciter les professionnels de la terre à investir dans ce procédé biologique. Mais pour que la méthanisation reste une technique vertueuse, plusieurs éléments sont à connaître et les manières d’y recourir doivent être analysées avec soin.

Publié le 12 octobre 2021

illustration Valoriser la méthanisation en agriculture, une incessante question d’équilibres
© INRAE

La méthanisation produit du méthane, source de revenu pour les agriculteurs, et un digestat qui présente tous les éléments nutritifs utiles aux plantes. Alors qu’une large proportion du carbone alimentant le méthaniseur se transforme en biogaz, le phosphore, l’azote ou encore le potassium restent quant à eux présents dans les digestats, en concentration élevée, et en grande partie sous forme minérale. Les digestats, à l’issue du procédé de méthanisation, contiennent encore une fraction résiduelle de matière organique qui s’est stabilisée au cours de la fermentation. Ils peuvent donc contribuer à l’entretien des sols en matière organique et constituent ainsi une très bonne alternative au lisier, au fumier ou aux engrais minéraux azotés classiques, dont la synthèse est très énergivore. Les digestats, co-produits de la méthanisation, sont d’autant plus intéressants pour la fertilisation des plantes que l'azote, initialement sous forme organique, s’y retrouve sous une forme minérale directement assimilable par les végétaux. Si les avantages des digestats semblent donc importants pour l’agriculture, il reste néanmoins de nombreux points d’attention sur lesquels il est primordial de s’attarder afin de s’assurer des bénéfices de leur valorisation en agriculture.

Préserver la qualité de l’air

Une première précaution concerne la façon d’épandre le digestat au champ. L’azote contenu dans les digestats liquides se trouve en grande partie sous forme ammoniacale, très volatile, ce qui génére des risques de dispersion dans l’atmosphère. Il s’agit d’un phénomène physico-chimique favorisé par les conditions climatiques, notamment lors de températures chaudes et en périodes de vent. Or, l’ammoniac est non seulement un gaz polluant, mais également, en étant un précurseur des microparticules, une source d’impacts sur la santé humaine.

Les agriculteurs doivent privilégier un enfouissement rapide du digestat

Pour cette raison, il est interdit d’épandre le digestat par projection à la surface des cultures avec buse palette, comme historiquement pour les lisiers, car les risques de volatilisation de l’ammoniac seraient très importants et le caractère fertilisant du digestat serait amoindri, tout en  portant atteinte à la qualité de l’air. Au contraire, les agriculteurs doivent privilégier un apport du digestat à l’aide d’épandeurs avec des rampes à pendillard suivi d’un enfouissement très rapide, ou mieux avec enfouisseur permettant d’injecter directement les effluents dans le sol et ainsi d’éviter la volatilisation de l’ammoniac. Ces modes d’apports peuvent générer des contraintes par rapport aux cultures sur lesquelles sont faits les épandages. Il sera plus difficile de faire des apports et de les enfouir sur des cultures déjà en place et développées.  Pour éviter le tassement des sols humides en sortie d’hiver ou au printemps, il est en outre recommandé de faire des épandages déportés sans déplacer la tonne dans le champ.

Respecter le rythme des saisons et des cultures

Les digestats peuvent être épandus à différentes périodes dans l’année. Les modalités doivent prendre en compte les cultures et les périodes où elles vont bien valoriser l’azote des digestats. Ainsi une culture de colza semée en fin d’été valorisera bien un apport d’automne.  De même les cultures de maïs valoriseront très bien l’azote d’un apport de fin de printemps qui pourra être enfoui avant le semis du maïs. C’est en revanche plus compliqué pour les blés d’hiver. Le scénario idéal pour ces cultures voudrait que l’épandage du digestat ait lieu en septembre ou octobre, avant la période de semis. Or, le blé, en automne, prélève très peu d’azote et « on passe l’hiver presque comme si le sol était nu », commente Sabine Houot, directrice de l’unité Ecologie fonctionnelle et écotoxicologie des agroécosystèmes, « ce qui entraîne des risques importants de lixiviation des sols ». En effet, l’azote ammoniacal contenu dans le digestat, une fois dans le sol, se transforme en nitrate par conversion microbienne et s’il n’est pas absorbé par les végétaux, il est alors drainé vers les nappes phréatiques et vers les rivières avoisinantes.

Ainsi, pour éviter cette lixiviation, il faudrait attendre le printemps pour épandre sur le blé. Mais à cette époque de l’année, les cultures sont déjà développées et il devient alors difficile d’enfouir le digestat. Pour quelle solution opter alors ? Au-delà d’un équilibre à trouver selon les cultures et les saisons, d’autres paramètres doivent être pris en compte.

Garantir la quantité de matière organique et de carbone dans les sols

Face au dérèglement climatique, un des leviers proposés est de maximiser l’apport en matière organique qui permet de stocker du carbone dans les sols, afin de limiter l’effet de serre. Ces apports de matière organique contribuent aussi à la fertilité des sols. Mais si une exploitation agricole utilise ses propres ressources organiques (résidus de culture et effluents d’élevage) dans son méthaniseur pour en faire du biogaz, la quantité de carbone retournant au sol avec les digestats est légèrement plus faible par rapport à l’épandage direct des effluents non digérés. Par ailleurs, les constats réalisés lors de l’implantation de cultures dédiées à la méthanisation et dans le cas de l’expérience allemande montrent que l’épandage des effluents des méthaniseurs entraîne également une faible perte de niveau de biomasse microbienne dans les sols concernés qui posent donc question.

Mais en réalité, ce constat ne s’applique que lorsque ce sont uniquement les intrants de la parcelle ou les intrants d’élevage de l’exploitation qui sont utilisés dans le méthaniseur. « Ce qui est en fait très rare », précise la chercheuse. Il y a en général d’autres produits qui sont intégrés au processus de méthanisation, comme des déchets de fermes, des résidus organiques issus de l’agro-industrie ou des biodéchets de cantine, etc. En fin de compte, le digestat qui sera épandu au champ permet alors d’apporter plus de carbone que les lisiers seuls non digérés qui auraient été épandus sur la parcelle. Celle-ci, fertilisée par le digestat, accueillera donc davantage de matière organique dans son sol, dont le caractère fertilisant sera amélioré… jusqu’à un certain point.

En effet, il faut veiller aux excès... Un bilan à l’échelle de la parcelle ou de l’exploitation doit être établi afin d’éviter des flux trop importants de nutriments au niveau des méthaniseurs. En effet, les ressources organiques entrant dans les méthaniseurs sont aussi des flux d’azote, phosphore… comme on l’a vu plus haut. Dans les zones d’élevage dense par exemple, on observe déjà la circulation dans les sols de beaucoup de nutriments, notamment de nitrates qui peuvent être la source d’une pollution environnementale, notamment de la ressource en eau. Dans ces régions, il faut faire très attention à équilibrer les intrants extérieurs dans les méthaniseurs pour éviter des risques d’excès de nutriments et limiter l’augmentation des besoins en surfaces d’épandage si l’on veut garantir la qualité de l’environnement.

Bien sûr, la présence d’élevage sur une exploitation n’enterre pas la possibilité de méthaniser ses effluents, d’autant plus qu’il est « plus facile de gérer les nutriments via du digestat que par du lisier ou du fumier », précise Julie Constantin « C’est le fait d’ajouter des matières exogènes à l’exploitation qui risque d’augmenter la quantité d’azote dans le système et le risque de pollution ».

Modérer l’usage des cultures intermédiaires

En cas d’absence d’élevage, un autre modèle se développe en France : les cultures intermédiaires multi-services (CIMS), parmi lesquelles se trouvent notamment les cultures intermédiaires à vocation énergétique (CIVE). Comme leur nom l’indique, ces cultures sont mises en place sur une parcelle entre deux périodes de cultures principales. Leur fonction est double : non seulement elles permettent de récolter de la biomasse et en faire de l’énergie via la méthanisation, mais elles permettent également de piéger les nitrates présents dans le sol et qui ne seraient pas absorbés par des plantes, protéger les sols de l’érosion, stocker du carbone et améliorer la fertilité. Après un blé et avant un maïs par exemple, lors de la période de transition, il y a un risque de lixiviation des sols en cas de pluie et surtout en cas d’absence de cultures. Ces cultures intermédiaires, pièges à nitrates, sont d’ailleurs maintenant obligatoires dans les zones vulnérables afin de limiter les risques de pollution des eaux par les nitrates.

Mais les scientifiques alertent sur les risques de dérives sur l’usage des CIVE. Parce que le biogaz peut être une source de revenus importants, les exploitants peuvent facilement être tentés de surexploiter les cultures à vocation énergétique au détriment des cultures alimentaires. Dédier des cultures spécifiquement à l’énergie est un système qui existe, en particulier en Allemagne, « mais c’est un système que l’on cherche vraiment à éviter en France », rappelle Julie Constantin, chercheuse INRAE à l’unité Agroécologie, innovations et territoires à Toulouse. « L’alimentaire est la priorité », complète Nicolas Bernet, directeur du Laboratoire de biotechnologie de l'environnement INRAE de Narbonne. Le risque inhérent est alors d’intensifier à outrance les CIVE et de les privilégier aux dépens des cultures principales. Le digestat qui en est issu doit en priorité être destiné aux cultures alimentaires et les cultures intermédiaires doivent garder leur fonction de transition. Sans parler du fait que les CIMS, qui peuvent assécher les sols, risquent d’une part d’augmenter le stress hydrique des cultures principales et d’autre part, si leur durée de croissance devient trop longue, de contraindre le rendement des cultures principales qui auront alors moins de temps pour se développer. Une réponse adaptée aux différents territoires doit être trouvée.

Economie locale et accompagnement

Une fois l’ensemble de ces éléments pris en compte, la méthanisation peut devenir et doit être une solution intéressante en faveur de l’environnement, du climat, mais également de l’économie des exploitations agricoles. Elle permet à sa façon d’ancrer d’autant plus le secteur agricole dans les enjeux de son  territoire. En effet, divers types d’intrants peuvent alimenter les méthaniseurs, comme les bio-déchets de cantines, de supermarchés voire des déchets verts, favorisant l’économie locale d’un territoire qui peut à son tour bénéficier du biogaz méthanisé pour son réseau de chaleur.

La méthanisation peut être à la fois plus vertueuse et créatrice de liens

Pour que tout le fonctionnement des méthaniseurs puisse être vertueux et pour éviter les dérives, la législation doit certes encadrer la mise en œuvre de cette production d’énergie renouvelable, et, les agriculteurs doivent également être accompagnés dans leurs démarches de projet de méthanisation. Pour cela, des outils d’automatisation et d’aide à la décision sont développés notamment par des start-up comme BioEnTech créée sur la base de savoir-faire INRAE, expert en conseil sur la gestion des bioprocédés. En s’éloignant de l’unique échelle de la parcelle, en « raisonnant de manière intégrée » comme le conseille Nicolas Bernet, la méthanisation peut être à la fois plus vertueuse et créatrice de liens. Ainsi, d’après Antoine Savoie, chef de projet expérimentation à Nouzilly (Indre-et-Loire), il a été observé sur des exploitations plus modestes une mise en commun du méthaniseur, utilisé notamment par des agriculteurs qui, seuls, n’auraient pas suffisamment d’effluents pour alimenter le méthaniseur.

En somme d’après Nicolas Bernet, la méthanisation répond à une « démarche pragmatique  de la part des exploitants »  qui, ensemble et au cœur de leurs territoires, parviendront à trouver le bon équilibre entre les enjeux environnementaux, économiques et sociaux. « Encore faut-il savoir de quelle manière alimenter le méthaniseur, pour garantir une qualité efficiente du digestat ». La recherche en la matière et les études d’impacts menées à INRAE viennent alimenter les outils d’aide à la décision.

Pierre-Yves LerayerRédacteur

Contacts scientifiques

Sabine Houot UMR Ecologie fonctionnelle et écotoxicologie des agroécosystèmes (INRAE, AgroParisTech)

Nicolas Bernet Laboratoire de biotechnologie de l’environnement

Julie Constantin UMR Agroécologie, innovation, territoires (INRAE, INP Toulouse)

Antoine Savoie UE Physiologie animale de l'Orfrasière

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