Le rôle des résidus agricoles dans des stratégies de bioéconomie durables et comment le retour de carbone aux sols conditionne la performance environnementale de ses stratégies

The sustainable role of agricultural residues in future bioeconomy strategies and its dependency upon carbon returns to arable soils

• Auteur / Autrice : Christhel Andrade Diaz
• Direction : Lorie Hamelin, Ezequiel Zamora-Ledezma
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 23/06/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : TBI - Toulouse Biotechnology Institute, Bio & Chemical Engineering - Toulouse Biotechnology Institute / TBI
• Jury : Président / Présidente : Etienne Paul
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sonja Keel, Jean-François Soussana, Florent Levavasseur
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Birka Wicke, Jørgen E. Olesen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Paille

Décroissance soutenable

Sol, Utilisation agricole du

Biogaz

Alcool

Pyrolyse

Mots clés libres

Pyrolyse

Ethanol

Biogaz

Sols Agricoles

Bioeconomie

Paille

Straw

Agriculture soil

Bioeconomy

Biogas

Pyrolysis

Ethanol

Résumé

Les résidus de cultures sont une matière première essentielle pour fournir du carbone renouvelable la bioéconomie du futur, et ce en raison de leur abondance relative, de leur flexibilité pour approvisionner plusieurs voies bioéconomiques et parce qu’ils n’impliquent pas de concurrence alimentaire directe. Néanmoins, lorsqu'ils sont laissés au champ, les résidus de culture contribuent à maintenir le bilan carbone du sol. Or, ce compromis entre approvisionnement de la bioéconomie et maintien des stocks de carbone du sol reste mal étudié. En France, par exemple, il est recommandé de maintenir au moins 41% des résidus techniquement récoltables sur les sols pour éviter les pertes de carbone organique du sol (COS). Cependant, ces recommandations ne prennent pas en compte l'utilisation finale des résidus, et le fait que certaines chaines de conversion impliquent, en plus du produit bioéconomique souhaité, un co-produit riche en carbone récalcitrant pouvant être restitué aux sols.Cette thèse vise donc à comprendre les interactions entre le retour au sol des co-produits de la bioéconomie et la dynamique du COS à long terme, dans un contexte de récolte neutre en C. Le terme “récolte neutre en C” est défini comme une situation où la récolte des résidus de culture ne diminue pas les stocks de COS à long terme par rapport à une situation de référence (BAU) où les résidus de culture ne sont pas récoltés, et ce en raison du retour au sol des co-produits de la bioéconomie. La thèse détermine ainsi, de manière spatialement explicite pour cinq chaines de conversion bioéconomiques, la quantité de résidus de culture pouvant être récoltée pour alimenter la bioéconomie tout en assurant une récolte neutre en carbone. Une échelle nationale a été considérée et deux contextes agricoles distincts ont été étudiés : en milieu tempéré (France) et tropical (Equateur). Une granularité spatiale fine comportant plus de 16,000 unités de simulation par pays a été appliquée sur une échelle temporelle allant jusqu’à 100 ans. Une revue de littérature a été réalisée sur les taux de conversion des résidus de culture en co-produits de la bioéconomie, ainsi que la récalcitrance inhérente à ces co-produits, pour cinq technologies (co-produits entre parenthèses) : i) pyrolyse (biochar), ii) gazéification (char), iii) liquéfaction hydrothermale (hydrochar), iv) digestion anaérobie (digestat) et v) production d'alcool lignocellulosique (fraction solide et mélasse). Une base de données harmonisée répertoriant plus de 600 entrées et 20 types de résidus de culture a ainsi été mise en place, ce qui a permis d’extraire les coefficients moyens de conversion du C (CC) et de récalcitrance (CR) pour les co-produits étudiés.Un nouveau cadre d’analyse a ensuite été développé afin d’intégrer les coefficients CC et CR des co-produits étudiés dans deux modèles de simulation dynamique du C du sol, soit AMG (pour le contexte tempéré) et RothC (pour le contexte tropical). Dans le cas de RothC, le “priming effect” exercé par l'apport des co-produits sur les sols a également été considéré. Ces extensions ainsi produites pour AMG et RothC permettent désormais d’intégrer les co-produits dérivés de la bioéconomie dans les modèles de simulation du carbone du sol.Finalement, une analyse de cycle de vie (ACV) conséquentielle a été réalisée afin de mettre en lumière, dans une perspective holistique considérant tant l’utilisation du produit principal (biocarburants maritimes ici) que le retour au sol du co-produit, d’éventuels compromis et transferts d’impacts entre récolte neutre en carbone et performance environnementale globale, et ce sur la base de 16 indicateurs environnementaux. L'intégration des résultats de la modélisation COS, possible grâce aux outils développés dans cette thèse, avec les conclusions de l'ACV permet d’éclairer la décision publique quant à la gestion et priorisation des résidus de culture dans le cadre de transitions nationales vers des économies à bas C fossile.

Crop residues are a key feedstock to supply renewable carbon for the future bioeconomy, this due to their relative abundance, flexibility to supply several bioeconomy pathways, and no land or food competition. Nevertheless, when left on the field, crop residues contribute to maintain the soil carbon balance. However, this tradeoff between supplying the bioeconomy and maintaining the soil carbon stocks remains poorly studied. In France, it is recommended to maintain at least 41 of the technically harvestable residues on soils to prevent soil organic carbon (SOC) losses. However, these recommendations have not considered the end-use of the residues or foreseen that bioeconomy processes generate, along with the main product, a coproduct that can be returned to the soil. This coproduct is often rich in recalcitrant carbon.This thesis aims to understand the interactions between the return of bioeconomy coproducts to soil and the long-term SOC dynamics in a C-neutral harvest context. The term “C-neutral harvest” is defined as a situation where the harvesting of crop residues does not decrease the long-term SOC stocks, compared to a reference situation (BAU) where crop residues are not harvested, this due to the return of bioeconomy coproducts to soils. The thesis thus determines, in a spatially explicit manner for five bioeconomy pathways, the amount of crop residues that could be harvested to supply the bioeconomy, while ensuring a C-neutral harvest. A national scale was considered and two distinct agricultural contexts were studied: temperate (France) and tropical (Ecuador). A high spatial resolution comprising over 16,000 simulation units per country was applied on a timescale of up to 100 years. The conversion rates of crop residues to bioeconomy coproducts, as well as the inherent recalcitrance of these coproducts, were exhaustively reviewed for five bioeconomy technologies (coproducts in brackets): i) pyrolysis (biochar), ii) gasification (char), iii) hydrothermal liquefaction (hydrochar), iv) anaerobic digestion (digestate), and v) lignocellulosic alcohol production (solid cake and liquid molasses). A harmonized database of over 600 data records and 20 types of crop residues was compiled to report average C conversion (CC) and recalcitrance (CR) coefficients for the coproducts under study.A novel framework was developed to integrate the CC and CR coefficients of the five coproducts studied in two dynamic soil C simulation models, namely AMG (used in France for the temperate context) and RothC (used in Ecuador for the tropical context). In the case of RothC, the priming effect exerted by the input of the bioeconomy coproducts on crop dedicated soils was also considered. These extensions produced for AMG and RothC allow the integration of bioeconomy-derived coproducts into soil carbon simulations.Finally, a consequential life cycle assessment (LCA) was performed to shed light to the possible trade-offs and impacts-transfer between C-neutral harvesting and overall environmental performance. The LCA considered 16 environmental indicators from a holistic perspective considering both the use of the main product (maritime biofuels here) and the return of the coproducts to the soil. The integration of the SOC modeling results, produced thanks to the tools developed in this thesis, with the conclusions of the LCA allows clarifying the public decisions for the management and prioritization of crop residues within the framework of national transitions towards low fossil C economies.