L’agriculture peut-elle équilibrer sa consommation d’énergie et continuer à produire des aliments ? Un cadre d’évaluation de la neutralité énergétique appliquée à l’agriculture française

Auteurs : Souhil Harchaoui et Petros Chatzimpiros du Laboratoire Interdisciplinaire des Énergies de Demain (LIED), Université Paris Diderot, 75013 Paris, France publié dans la revue MDPI le 6 December 2018 https://www.mdpi.com/2071-1050/10/12/4624/htm

Résumé : Dans le contexte de la transition énergétique, l’agriculture est confrontée à un double défi : réduire sa dépendance à l’égard des combustibles fossiles et fournir à la société, en plus des aliments, de la bioénergie pour remplacer les combustibles fossiles. La faisabilité de ce défi dépend de la capacité de l’agriculture à atteindre la neutralité énergétique, c’est-à-dire à équilibrer sa consommation d’énergie externe par la valorisation énergétique à partir de sources internes. L’alimentation du bétail est un déterminant majeur de cet équilibre. Nous utilisons la France comme exemple de démonstration du rôle changeant de l’alimentation animale dans le métabolisme énergétique agricole à long terme et du défi d’atteindre la neutralité énergétique. Les résultats montrent que l’agriculture actuelle est structurellement déficitaire en énergie à tel point que ses besoins énergétiques fonctionnels sont presque égaux à ceux du produit final. Le potentiel de valorisation énergétique des résidus de culture et du fumier pourrait au mieux couvrir l’équivalent biomasse primaire des intrants énergétiques externes de l’agriculture. Seule la suppression de l’alimentation animale sur les terres cultivées, associée à une très forte valorisation énergétique des résidus agricoles, pourrait permettre d’atteindre la neutralité énergétique et de faire de l’agriculture une source d’énergie nette pour la société.

1. Introduction

L’agriculture était autrefois une source d’énergie majeure pour les sociétés préindustrielles et pratiquement la seule source d’énergie mécanique avant la révolution industrielle[1]. Le défi de la transition énergétique exige de reconnaître à nouveau l’agriculture comme une source d’énergie capable de fournir à la société, en plus des aliments, de la bioénergie de substitution aux combustibles fossiles. Cependant, l’agriculture actuelle dépend fortement des combustibles fossiles eux-mêmes[2,3,4] et, par conséquent, elle est loin d’être un système d’énergie renouvelable. Depuis la fin des années 1960 jusqu’à aujourd’hui, le rôle de l’énergie dans les systèmes agroalimentaires et en particulier la dépendance aux combustibles fossiles a été examiné et quantifié avec un intérêt croissant pour la recherche[5,6,7,7,8,9,10]. L’analyse du métabolisme énergétique des systèmes agricoles peut fournir des indications sur les déficits ou excédents énergétiques structurels et sur les relations complexes entre les intrants énergétiques et la productivité[4,11,12]. Les transitions agricoles entraînent des changements structurels dans le métabolisme énergétique et la capacité alimentaire de l’agriculture et soulignent l’importance des approches de l’écologie industrielle dans la modélisation agricole prospective. Récemment, le quadruplement de l’excédent agricole, c’est-à-dire la capacité d’alimentation de l’agriculture pendant l’industrialisation agricole, a été démontré pour la France, soulignant le rôle de l’amélioration de l’efficacité de la conversion des ressources et de l’interruption de l’auto-alimentation dans cette augmentation[4]. L’auto-alimentation est la somme de la biomasse interne investie en tant qu’intrant énergétique dans la production agricole et a été presque entièrement remplacée en moins de trois décennies par des intrants énergétiques externes. Le recours à des intrants externes permet de lever les contraintes de productivité interne et, dans le cas des combustibles fossiles, de construire une productivité agricole élevée sur des intrants épuisables et perturbant du cycle du carbone.

Plusieurs études se sont penchées sur les externalités environnementales de l’agriculture liées à l’utilisation des ressources et au cycle du carbone et ont discuté des options pour réduire ou neutraliser ces externalités. [13,14,15,16,17,18] Cependant, le défi pour l’agriculture de neutraliser sa dépendance énergétique à l’égard des intrants externes par la récupération d’énergie à partir de sources internes est très peu étudié dans la littérature. La neutralité énergétique de l’agriculture équivaut à produire autant d’énergie à partir de sources internes qu’elle en consomme à partir de sources externes pour soutenir la production alimentaire. La neutralité énergétique est un gage de sécurité alimentaire face à la volatilité des prix des combustibles fossiles et à une pénurie future potentielle et une condition préalable pour que l’agriculture soit une source d’énergie nette pour la société. Ce n’est qu’en parvenant à la neutralité énergétique que l’agriculture peut contribuer à la bioénergie dans la transition énergétique. Malgré la pertinence critique de cette question[19,20,21], aucune étude n’est allée plus loin que l’évaluation de l’autosuffisance énergétique potentielle des cultures isolées[22,23] ou des systèmes d’élevage[24]. L’élevage joue un rôle central dans le métabolisme agricole, et son rôle énergétique a fondamentalement changé au cours de l’industrialisation, passant du statut de vecteur de travail à celui de producteur de viande et de lait[25]. Au niveau mondial, le bétail fournit aujourd’hui 21% de l’apport énergétique alimentaire de l’homme[26] et représente plus de 35% de la consommation totale de céréales et 75% de l’utilisation totale des terres agricoles[27].
Cet article s’appuie sur des connaissances récentes sur les transitions agricoles dans une perspective historique et poursuit un double objectif concernant la modélisation prospective de l’énergie. Premièrement, il met en lumière le rôle changeant de l’alimentation du bétail dans le métabolisme énergétique agricole à long terme. Deuxièmement, il établit un équilibre énergétique complet et cohérent entre les excédents alimentaires, les résidus agricoles et les besoins énergétiques fonctionnels de l’agriculture. Il examine la récupération d’énergie à partir des résidus de culture et du fumier et élabore le concept de neutralité énergétique pour discuter des possibilités et des limites de l’agriculture pour maintenir son surplus agricole tout en neutralisant sa dépendance énergétique vis-à-vis des sources d’énergie externes. Il utilise l’agriculture française comme cas de démonstration de référence d’un système à haut rendement énergétique, à forte production alimentaire et à forte capacité d’exportation, pour lequel il semble extrêmement difficile d’atteindre la neutralité énergétique.

2. Matériels et méthodes

2.1. Analyse énergétique des systèmes alimentaires

La figure 1 fournit le cadre conceptuel pour l’analyse des flux et des bilans énergétiques dans l’agriculture, y compris les systèmes de production végétale et animale. La production nette est la somme de la biomasse végétale extraite plus la production animale moins l’alimentation totale. Le total des aliments pour animaux comprend tous les aliments pour animaux produits dans le pays ou importés de l’étranger (essentiellement les tourteaux de soja dans le cas de la France), ce qui corrige la production nette intérieure destinée au commerce des aliments pour animaux.

Figure 1. Représentation générique des flux d’énergie dans l’agriculture.

L’agriculture préindustrielle était neutre sur le plan énergétique. La quasi-totalité de l’énergie investie comme intrant dans le système de production provenait de l’auto-alimentation, qui était la somme des aliments pour les agriculteurs et pour les animaux de trait. L’excédent agricole était le produit agricole final une fois que le système avait satisfait ses besoins énergétiques fonctionnels[4]. L’auto-alimentation a été progressivement remplacée par des intrants énergétiques externes utilisés pour les machines de traction, l’irrigation, les serres, les installations d’élevage et les engrais de synthèse. 
A tout moment, l’énergie totale investie dans l’agriculture est la somme de l’auto-alimentation et des intrants énergétiques externes. La part de l’auto-alimentation dans ce total explique l’autosuffisance énergétique de l’agriculture.

Aujourd’hui, l’auto-alimentation est proche de zéro. L’excédent agricole comprend la biomasse pour l’alimentation et la biomasse allouée à la production de biocarburants de première génération. Indépendamment de la question de savoir si les biocarburants sont restitués à l’agriculture en tant qu’intrants, leur production constitue un facteur de neutralité énergétique mais est en concurrence avec les aliments. L’agriculture peut potentiellement récupérer l’énergie des résidus de culture et du fumier[28] pour produire de l’énergie neutre sans concurrencer les aliments. La récupération d’énergie à partir des résidus agricoles diffère de l’auto-alimentation dans la mesure où elle ne retourne pas nécessairement à l’agriculture. Cela correspond à la production de biocarburants de deuxième génération.

En comparant le potentiel de valorisation énergétique à l’équivalent biomasse primaire des intrants énergétiques externes, on obtient un bilan énergétique net positif ou négatif tenant compte respectivement des excédents ou déficits énergétiques structurels de l’agriculture. Un bilan positif implique que l’excédent agricole est structurellement indépendant des apports énergétiques extérieures et que l’agriculture peut, en plus de l’excédent agricole, fournir de la bioénergie à la société. En revanche, un bilan négatif implique que la production agricole est structurellement déficitaire en énergie et qu’en l’absence d’apports énergétiques extérieures, les excédents agricoles ne peuvent être maintenus. Une réduction des excédents agricoles proportionnelle à la pénurie d’énergie est inévitable, à moins que l’efficacité énergétique ne soit améliorée. Une plus grande efficacité énergétique signifie une dissipation plus faible dans le système de production. Cet objectif peut être atteint soit par une plus grande efficacité de conversion entre les intrants énergétiques finaux et primaires, soit par une réduction de la quantité de biomasse utilisée comme matière première.

Les principales catégories d’aliments pour animaux sont les céréales et les sous-produits (y compris les céréales et les oléagineux domestiques ou importés), les fourrages annuels et les graminées. La consommation d’aliments pour animaux dépend du type et de la taille du cheptel et de l’efficacité de la conversion des aliments pour animaux en denrées alimentaires. Nous évaluons ici l’effet de la suppression de l’alimentation des céréales et du fourrage annuel et de la récupération d’énergie à partir des résidus de culture et du fumier sur le bilan énergétique net de l’agriculture. Nous utilisons la France comme cas de référence dans quatre scénarios. Les résultats sont mis en perspective avec l’utilisation des aliments pour animaux et l’énergie investie dans la production agricole dans une perspective historique[4,29,30].

2.2. Équivalent en biomasse primaire de la consommation d’énergie externe

L’équivalent biomasse primaire des intrants énergétiques externes est calculé en tenant compte du type d’utilisation finale d’énergie et de l’efficacité de conversion associée (η) entre l’énergie primaire et l’énergie finale. La consommation d’énergie dans l’agriculture se répartit entre mécanique, chaleur et énergie contenue dans les engrais et les autres intrants.

La conversion de la biomasse en énergie mécanique peut se faire soit directement par des animaux de trait, soit par des moteurs grâce à un processus en deux étapes. La première étape est la conversion de la biomasse en combustible, qui dépend de la voie de conversion[31,32] de la matière première de la biomasse et est d’environ 30 %[31,33,34] pour un combustible équivalent pétrole final (voir les documents supplémentaires pour le calcul détaillé). La deuxième étape est la combustion du carburant en énergie mécanique, avec un rendement typique de 40–50%[35,36]. Par conséquent, le rendement de conversion énergétique de la biomasse en énergie par des moteurs est d’environ 12 à 15 %, ce qui est proche de la plage de rendement des animaux de trait sur un cycle complet, y compris les besoins énergétiques pour l’entretien et le travail[37,4]. Par conséquent, le rendement de conversion dépend fondamentalement de la source d’énergie primaire plutôt que du convertisseur (Figure 2). Bien sûr, le niveau de puissance des moteurs est un multiple de celui des animaux de trait, mais grâce à un nombre d’animaux de trait égal à l’écart de niveau de puissance, la même puissance cumulative peut être obtenue avec le même rendement de conversion énergétique.

Figure 2. Efficacité de conversion énergétique de la biomasse en travail mécanique par des animaux de trait et des machines.

L’efficacité de conversion de la biomasse en chaleur est estimée à 90%[38] et pour l’énergie incorporée dans les engrais à 45%, en considérant un mélange de chaleur et de gazéification de la biomasse dans le procédé Haber Bosch pour la synthèse de l’ammoniac, actuellement largement dépendant du gaz naturel comme source première d’hydrogène et des hautes pressions et températures pour obtenir des rendements élevés[39].

Le tableau 1 montre, d’une part, la part des combustibles fossiles et la répartition de la consommation finale totale d’énergie dans l’agriculture actuelle entre l’énergie mécanique, la chaleur et l’énergie incorporée dans les intrants de ressources et, d’autre part, le rendement de conversion calculé et l’équivalent biomasse primaire associé par utilisation[4,30]. Le carburant des machines est dominé par les tracteurs et les moissonneuses-batteuses. 
Les infrastructures d’élevage comprennent le chauffage, l’éclairage et la ventilation. La catégorie “ autres “ comprend l’irrigation et l’énergie contenue dans les pesticides et les aliments importés pour le bétail.

Tableau 1. Consommation finale d’énergie dans l’agriculture française par usage en 2013, regroupée entre énergie mécanique, chaleur et énergie contenue dans les engrais (N, P, K)

2.3. Potentiel de récupération d’énergie et bilan énergétique net de l’agriculture

Le bilan énergétique net est calculé pour quatre scénarios en utilisant l’année 2013 comme année de référence pour le métabolisme énergétique actuel de l’agriculture. Les quatre scénarios quantifient à quel point l’excédent agricole changerait si l’agriculture devait atteindre la neutralité énergétique. Dans le contexte d’une demande alimentaire croissante, la part des biocarburants de première génération dans les excédents agricoles devrait être progressivement supprimée au nom de la sécurité alimentaire, en particulier compte tenu de la tendance actuelle à la perte de terres agricoles. En effet, la superficie agricole totale en France a diminué de 17 % depuis 1961[26], principalement en raison de l’urbanisation[40]. Compte tenu de cette tendance, une stabilisation ou une augmentation de la superficie agricole est douteuse et déconseillée, car elle concurrencerait très probablement les terres forestières avec des risques de déstockage du carbone du sol, d’érosion et de perte des services écosystémiques et de la biodiversité[41]. En conséquence, les quatre scénarios de neutralité énergétique sont élaborés à la fois pour la superficie agricole totale actuelle et pour les excédents agricoles entièrement réservés à la production alimentaire.

Les scénarios sont construits sur deux facteurs. D’une part, la valorisation énergétique du fumier et des résidus de culture avec une variante moyenne et élevée et, d’autre part, la suppression des céréales fourragères et des fourrages annuels (tableau 2). La réduction de la quantité d’aliments réduit la production animale, la consommation d’énergie dans les installations d’élevage (pour le chauffage, la ventilation et l’exploitation des salles de traite) et la quantité de fumier disponible. La productivité du bétail et l’excrétion de fumier dépendent de l’alimentation (alimentation animale) et de son efficacité de conversion énergétique (ECE) en aliments qui varie selon la production animale (i) et la composition des rations. ECEi et Feedi sont calculés pour l’année 2013 tiré des données de Harchaoui et Chatzimpiros[29]. La suppression de l’alimentation des céréales et du fourrage annuel affecte principalement les animaux monogastriques et la production laitière respectivement, qui ont le plus haut ECEi. La suppression abaisse la CEE de ces secteurs en fonction de la nouvelle composition des rations[42] ainsi que de la CEE globale du bétail (tableau 2). Dans tous les scénarios, la part énergétique du lait et de la viande de bovins est maintenue à 70 % et 30 % respectivement. La consommation d’énergie dans les installations d’élevage est égale à la production animale totale multipliée par un coefficient d’intensité énergétique pris à 0,42 J de biomasse primaire par joule de production animale[4] (tableau 2).

Tableau 2. Description des quatre scénarios.

Le potentiel de récupération d’énergie à partir des résidus de culture, principalement de la paille, est calculé en fonction de l’indice de récolte des cultures (IH), c’est-à-dire le rapport entre le rendement des cultures et la biomasse au-dessus du sol totale de la culture, selon la documentation[43]. L’énergie totale dans les résidus de culture est la somme de la biomasse récoltée par culture (récolte en joules) multipliée par la part des résidus (1-HIj)/HIj dans la biomasse au-dessus du sol totale. De ce total, nous considérons un taux de récupération (Rc) moyen et élevé de 30% et 70% respectivement. Ces deux taux sont très ambitieux par rapport à la récupération d’énergie quasi nulle aujourd’hui. Les taux moyen et élevé sont inversement liés aux objectifs élevés et moyens de conservation du carbone du sol[33,44].

En ce qui concerne le fumier, seul le fumier produit en confinement est valorisable contrairement aux excrétions au pâturage[45]. Le temps moyen passé en confinement par animal (ti) est de 45% pour les bovins, 10% pour les ovins et caprins, et 90% pour les porcins et volailles[33,45,46]. La différence entre l’ingestion d’aliments et la production animale est la perte de chaleur métabolique et l’énergie du fumier[34]. Nous considérons que l’énergie du fumier (ME) représente 15 à 40 % de cette différence pour refléter la variabilité spécifique au bétail et à la digestibilité des aliments[34,47,48,49]. On suppose que le fumier produit en confinement est entièrement récupéré, ce qui est une hypothèse optimiste.

La récupération des résidus agricoles a un coût énergétique associé aux étapes logistiques et techniques, telles que la compression, le ramassage, le prétraitement et le transport des matières au digesteur[50]. La comptabilisation détaillée de ce coût énergétique n’entre pas dans le champ d’application du présent document. Ici, nous fournissons une approximation simple en supposant une consommation de respectivement 0,17 joule de biomasse primaire par joule récupéré à partir des résidus de culture et 0,32 joule par joule récupéré du fumier. Ces facteurs de consommation sont dérivés du tableau 1 en supposant respectivement une augmentation du carburant des machines proportionnelle au rendement non économique des cultures (1-HI) et un doublement de la consommation d’énergie dans les installations d’élevage représentant les coûts énergétiques pour la collecte, le transport, la préparation et le pompage du fumier. Ces coûts de récupération d’énergie se situent dans la fourchette (extrémité inférieure) d’une analyse détaillée de divers systèmes de production de biogaz en Suède [51]. Le tableau 2 présente les principales données et formules de calcul dans les quatre scénarios.

3. Résultats

3.1. L’utilisation des aliments pour animaux et le budget énergétique de l’agriculture

La figure 3 montre le métabolisme énergétique de l’agriculture au fil du temps en mettant en perspective l’écrasante quantité d’aliments pour le bétail (viande, lait et œufs), l’excédent agricole de l’agriculture, l’énergie investie dans le système de production à partir de sources internes et externes et l’équivalent biomasse primaire des apports énergétiques externes. L’alimentation totale représente actuellement plus de 60 % de la biomasse végétale extraite en France. Le volet droit de la figure 3 montre qu’environ la moitié de la nourriture totale est fournie par les céréales et les cultures fourragères annuelles. Les céréales fourragères représentent plus de 35 % de la production céréalière totale en France[26].

Figure 3. Nourriture pour l’élevage et l’autoconsommation par rapport aux excédents agricoles (partie supérieure du graphique), à l’énergie externe (partie inférieure du graphique) et à l’équivalent biomasse primaire de l’énergie externe (partie supérieure) au fil du temps. L’extrémité droite de la figure donne la composition de l’alimentation actuelle des graminées, du fourrage annuel, de la paille et du grain et la répartition des apports énergétiques externes entre puissance mécanique, les engrais et la chaleur. (Pj = péta-joule soit 10 puissance 15 ou un million de milliard de joules). Les 2 zones grises correspondent aux 2 guerres mondiales, périodes où les statistiques sont moins fiables.

Les intrants énergétiques actuels sont dominés par les combustibles fossiles pour les travaux mécaniques et les engrais (volet de droite). L’équivalent en biomasse primaire étonnamment élevé de ces intrants (ligne bleue) met en évidence la différence dans l’énergie libre (c.à.d. la capacité à produire du travail) entre les combustibles fossiles et la biomasse. Depuis le début des années 1960 et jusqu’au début des années 1990, l’équivalent biomasse primaire des intrants externes a dépassé l’excédent agricole (ligne rouge). 
Le déficit s’est creusé dans les années 1970 et a diminué par la suite en raison de l’amélioration de l’utilisation de l’azote et de l’efficacité des moteurs à combustion[4]. Aujourd’hui, le coût énergétique fonctionnel de l’agriculture industrielle exprimé en biomasse primaire est équivalent au surplus de l’exploitation. En conséquence, elle annule les produits énergétiques de l’agriculture. L’interruption de l’auto-alimentation énergétique a libéré des ressources qui ont été réaffectées à la production de viande, de lait et d’œufs et non plus à l’énergie. L’alimentation actuelle s’élève à 1700 PJ et pèse lourdement sur le métabolisme énergétique de l’agriculture.
Pour atteindre la neutralité énergétique, l’agriculture devrait récupérer auprès de sources internes la quantité d’énergie représentée par la ligne bleue de la figure 3. Le défi est énorme parce que le montant à récupérer est presque aussi élevé que l’excédent agricole actuel. Cela signifie que l’agriculture actuelle devrait presque doubler sa production d’énergie pour compenser sa dépendance aux combustibles fossiles sans réduire ses surplus agricoles.

3.2. Potentiel de récupération d’énergie à partir des résidus de culture et du fumier

La figure 4 montre le contenu énergétique estimé de l’ensemble des résidus de culture et des effluents d’élevage en France par rapport à la valorisation énergétique actuelle et à deux évaluations, l’une tenant compte de la valorisation complète des effluents d’élevage produits en confinement et l’autre de 30 % et 70 % respectivement de l’énergie totale en résidus de culture. La quantification fournit l’ordre de grandeur des réserves d’énergie dans les résidus agricoles et souligne que la neutralité énergétique des résidus serait au mieux de 60% et 100% respectivement.

Figure 4. Le contenu énergétique des résidus de cultures et du fumier animal estimé pour la période de 2000 à 2013 (volet de gauche) comparé à la récupération énergétique actuelle de ces matières et à deux taux de récupération potentiels intégrant l’incertitude pour le fumier d’excrétion.

En 2016, la production totale de biogaz en France était d’environ 30 PétaJoules (en équivalent pétrole), dont seulement un quart environ (7,8 PJ) provenait de l’agriculture[52,53] (le reste provient des matières organiques des stations d’épuration, des déchets urbains et des industries agroalimentaires). Son principal équivalent biomasse est de 26 PJ et s’ajoute aux 200 PJ[53] d’excédents agricoles actuellement affectés aux biocarburants liquides (voir les documents supplémentaires pour le calcul détaillé). Le reste de l’excédent agricole de 880 PJ est d’origine alimentaire. Ainsi, en incluant la production de biocarburants de première génération, l’agriculture actuelle a une neutralité énergétique d’environ 25 %, très concurrentielle par rapport à la production alimentaire. La neutralité énergétique et, par conséquent, la capacité de l’agriculture d’être une source d’énergie nette pour la société et de remplacer massivement les combustibles fossiles sans réduire davantage la production alimentaire semble être extrêmement difficile. Même si la valorisation énergétique des résidus agricoles est très élevée, une valorisation supplémentaire à partir de sources internes est une condition nécessaire pour produire la neutralité énergétique et remplacer les combustibles fossiles. Dans les quatre scénarios de neutralité énergétique, les excédents agricoles sont entièrement réservés à la production alimentaire.

3.3. Scénarios de neutralité énergétique

Une option pour récupérer plus d’énergie à partir de sources internes et atteindre la neutralité énergétique est de réduire l’alimentation du bétail. La figure 5 met en perspective les bilans énergétiques dans les quatre scénarios de neutralité énergétique présentés au tableau 2 avec le budget énergétique actuel de l’agriculture.

Figure 5. Excédent agricole (végétal et bétail) et l’équivalent biomasse primaire d’énergie externe par source pour les quatre scénarios et par rapport à la situation actuelle. L’excédent agricole est divisé en besoins alimentaires nationaux et en exportations alimentaires potentielles et autres utilisations par la ligne pointillée rouge.

Les résultats montrent que la neutralité énergétique influe grandement sur l’excédent agricole. Seuls les scénarios combinant à la fois la suppression des céréales fourragères et des fourrages annuels et une valorisation énergétique élevée des résidus agricoles permettent une augmentation des excédents agricoles (S1b et S2b). L’excédent agricole augmente de 25% et 60% en S1b et S2b respectivement par rapport à aujourd’hui. S2b fournit une estimation de la capacité maximale de production d’énergie renouvelable de l’agriculture française. Dans S2a, l’excédent agricole est égal à ce qu’il est aujourd’hui. Dans le scénario S1a, l’excédent agricole diminue de 35 % et se rapproche de la consommation domestique actuelle, ce qui implique que les exportations seraient beaucoup moins importantes.

La suppression des céréales et du fourrage annuel dans les scénarios S1b et S2b entraîne une baisse de la production animale d’environ 70 % (de 150 à 45 PJ) et se traduit par des besoins énergétiques totaux légèrement inférieurs en raison d’une consommation énergétique moindre dans les bâtiments d’élevage par rapport à S1a et S2a. Dans ces scénarios, la quasi-totalité de la production animale provient du bétail. En général, la suppression de l’alimentation des céréales et du fourrage annuel semble être une option au potentiel plus élevé que la valorisation énergétique des résidus de culture et du fumier.

4. Discussion

4.1. Potentiel de récupération d’énergie et rôle du bétail

Notre étude évalue les enjeux et les conséquences de la neutralité énergétique de l’agriculture française. Il est peu probable que le potentiel de récupération d’énergie augmente, car les résidus de culture et le fumier dépendent tous deux des rendements agricoles, qui ont atteint un plateau[4]. Dans l’ensemble, le potentiel estimé de récupération d’énergie se situe dans la partie supérieure des évaluations précédentes pour la France[33,54]. L’incertitude est essentiellement liée au taux de paille récupérable. De faibles taux de récupération sont compatibles avec les méthodes d’enfouissement et de retour de la paille, qui font partie des principales pratiques de gestion agricole actuelles pour la conservation de la qualité des sols et la séquestration du carbone[28]. En revanche, des taux de récupération élevés étaient courants dans les systèmes préindustriels, comme en témoigne le rôle central de la paille comme source d’énergie[4,55]. Des taux de récupération plus proches du cas élevé sont potentiellement compatibles avec une gestion durable des sols si le digestat est retourné dans les champs[56]. Des recherches futures sont également nécessaires pour analyser quel taux de récupération de la paille peut équilibrer le bon compromis énergétique et environnemental dans l’utilisation de la paille[44]. Il est à noter que la disponibilité de la paille dépend inversement de l’indice de récolte des cultures. Un indice de récolte élevé favorise la production céréalière par rapport aux résidus de culture. En conséquence, le potentiel de récupération d’énergie de la paille a diminué avec l’industrialisation de l’agriculture. En ce qui concerne le fumier, nos estimations varient entre 108 et 291 PJ. L’intervalle est conforme à une analyse récente[57] qui fournit une estimation de 111 PJ pour le fumier de bovins seulement, ce qui représente environ 75 % de tout le fumier récupérable, d’après une description détaillée de la production bovine et du type d’étable et de la qualité des litières.

Dans l’ensemble, le bilan énergétique de cette étude est très optimiste car il envisage une récupération complète de l’énergie du fumier produit en confinement[50]. De plus, le coût énergétique de la récupération des résidus agricoles est très probablement sous-estimé[51]. Plus généralement, outre les considérations énergétiques, la valorisation des résidus agricoles nécessiterait des changements structurels dans les exploitations agricoles, y compris la construction de capacités de stockage ainsi qu’une approche globale de conception des infrastructures des usines de biogaz et des distances aux matières premières[56,58]. La spécialisation actuelle de l’agriculture entre, d’une part, les régions à forte densité animale (par exemple, la Bretagne) et, d’autre part, les monocultures de cultures intensives en énergie (par exemple, le Centre)[59] implique une dispersion géographique des deux termes du bilan énergétique de l’agriculture.

Pour un excédent agricole donné, la part des biocarburants par rapport aux denrées alimentaires reste une décision politique. L’excédent agricole actuel inclut les biocarburants de première génération pour environ 18% (200 sur 1100 PJ) en termes de biomasse primaire[53]. De nombreux changements sont intervenus dans les directives européennes. Des mesures incitatives pour les biocarburants de première génération sont apparues en 2003, qui visaient à approvisionner le secteur des transports. Ils ont été révisés à la baisse par la directive sur les énergies renouvelables (RED) en 2009[56] suite à des préoccupations concernant la concurrence entre l’utilisation des terres et la production alimentaire. Les incitations sur les biocarburants de première génération seront très probablement supprimées progressivement dans la directive révisée RED II (2020–2030) en faveur des biocarburants avancés (deuxième génération) principalement issus des résidus de culture et du fumier[60], qui sont au cœur de la présente étude.

Re(reconnaître) l’alimentation en tant qu’énergie fournit des indications sur la façon d’évaluer les ressources d’un point de vue systémique global. Le paramétrage à zéro des céréales et du fourrage annuel utilisés comme aliments pour animaux dans S1b et S2b entraîne des économies d’énergie supérieures à 800 PJ (figure 5). L’alimentation en céréales est constante à environ 35 % de l’ensemble des céréales produites en France depuis 1961[26,61], mais cette part constante masque le quintuplement du tonnage dû à l’amélioration des rendements agricoles. Aujourd’hui, l’alimentation du bétail s’élève à 1700 PJ, soit l’équivalent de la consommation domestique française de gaz naturel[62]. D’autres pays ont montré des tendances de croissance de l’alimentation comparables à celles de la France[63,64], soulignant que les choix alimentaires deviennent une composante internationale très pertinente de la transition énergétique. Les scénarios de suppression des céréales fourragères mettent l’accent sur le rôle des aliments pour animaux dans le bilan énergétique total de l’agriculture, mais ils sont très ambitieux car ils impliquent que les productions avicoles ou porcines seraient radicalement réduites à des niveaux limités par la valorisation des déchets alimentaires sous forme d’aliments pour animaux. Un scénario plus réaliste serait un scénario intermédiaire avec une réduction plus faible de la consommation d’aliments pour animaux, ce qui, toutefois, impliquerait également des possibilités de neutralité énergétique moindres.

4.2. Dépendances structurelles vis-à-vis des combustibles fossiles et contraintes dans l’électrification de l’agriculture

L’électrification de l’agriculture est beaucoup plus difficile que dans d’autres secteurs. Bien que l’agriculture puisse contribuer à la production d’électricité solaire et éolienne, la majeure partie de l’utilisation de l’énergie en agriculture n’est pas viable par l’électricité. La consommation d’électricité dans l’agriculture a triplé depuis 1970[65] pour atteindre 9 % aujourd’hui (tableau 1), mais l’augmentation supplémentaire est limitée à une limite supérieure estimée à 22 % (déductible du tableau 1). Cette limite correspond à l’électrification complète de toutes les utilisations actuelles de l’énergie en agriculture hors des champs de culture, y compris l’irrigation, les serres et autres équipements[66,67,68]. La production d’engrais azotés synthétiques pourrait théoriquement aussi passer à l’électricité, mais les besoins énergétiques pour la production d’hydrogène à partir de l’eau par électrolyse sont supérieurs de 60 % à ceux de la production actuelle au gaz naturel[69]. Les travaux sur le terrain concernent des machines d’une puissance nominale de plusieurs centaines de kW, qui ne pourraient fonctionner que si elles étaient branchées au réseau[70]. Le secteur des transports, qui possède des moteurs de puissance similaire, fait face à de nombreux problèmes non résolus dans sa stratégie d’électrification, à l’exception du chemin de fer, qui est alimenté par des caténaires. Néanmoins, les efforts d’électrification de l’agriculture devraient être encouragés, mais la pénétration de l’électricité des machines agricoles des champs nécessiterait de profondes transformations dans les structures agricoles, ce qui pourrait entraîner une réduction de la taille des exploitations, une réduction de la puissance des machines et une augmentation subséquente du nombre de machines et d’agriculteurs.

4.3. L’efficacité énergétique actuelle de l’agriculture est déjà au maximum

Un indicateur commun pour mesurer la viabilité des systèmes énergétiques est le rendement énergétique sur l’énergie investie (EROI)[71]. Pour l’agriculture, l’EROI est le rapport entre le rendement énergétique de la production de biomasse et l’énergie totale investie à partir de sources internes et externes. Il n’existe pas d’approche standard pour le calcul de l’EROI agricole, notamment en raison des divergences méthodologiques concernant l’énergie investie[4]. Une divergence importante concerne les limites du système. Il est essentiel d’inclure à la fois la consommation d’énergie directe et indirecte dans le calcul de l’EROI et de la neutralité énergétique. L’exclusion de l’énergie indirecte conduirait bien sûr à un équilibre trompeur entre la production et la consommation d’énergie agricole. Dans l’analyse EROI de l’agriculture en France, Harchaoui et Chatzimpiros[4] ont démontré un doublement de l’EROI de deux à quatre pendant l’industrialisation grâce à l’amélioration du rendement des moteurs et de l’utilisation des engrais. Ces deux variables sont les principaux moteurs de l’efficacité énergétique totale dans l’agriculture et ont déjà atteint ou sont proches d’un plateau[4]. Cela signifie que la consommation d’énergie par unité de production ne peut pas être réduite de manière significative. Actuellement, les intrants énergétiques sont dominés par les combustibles fossiles. Leur forte densité énergétique et leur disponibilité naturelle impliquent que leur remplacement par la bioénergie se traduirait par des apports d’énergie primaire beaucoup plus élevés et donc par un EROI plus faible. L’EROI de l’agriculture neutre sur le plan énergétique est la somme de l’excédent de l’exploitation et de l’énergie récupérée des résidus agricoles par rapport à l’équivalent biomasse primaire de l’énergie investie. Nos scénarios démontrent que l’EROI de l’agriculture neutre en énergie varie d’environ 1,8 (en S1a) et 2,8 (en S2b) ce qui est assez proche de l’EROI de l’agriculture autosuffisante préindustrielle[4]. Le cadre de neutralité énergétique pourrait s’avérer un outil utile pour évaluer de façon cohérente les scénarios prospectifs intégrant les aliments et autres sources d’énergie[72].

Au-delà des gains d’efficacité technique marginaux qui peuvent encore être réalisés dans les bâtiments d’élevage et les serres, des économies d’énergie potentielles pourraient être réalisées grâce aux pratiques de conservation. Des techniques de travail du sol sans labour ou avec travail minimal du sol pourraient se traduire par une réduction des besoins de travail au champ et sont déjà en place sur 35 % des principales superficies cultivées en France[53]. Leur expansion future peut être une voie prometteuse pour améliorer le bilan énergétique de l’agriculture, à condition qu’elle ne compromette pas la productivité des cultures[73]. Le dernier plan stratégique national à faible émission de carbone fixe un objectif de réduction de 35 % de la consommation directe d’énergie de l’agriculture d’ici 2030 par rapport à 2010[74]. Une telle réduction ne pourrait résulter que de pratiques de conservation, d’une diminution de l’utilisation des aliments pour animaux ou d’une réduction des déchets alimentaires, étant donné qu’aujourd’hui l’apport alimentaire quotidien par habitant en France est de 3480 kcal, contre un apport calorique recommandé de 2200 kcal[26,75].

5. Conclusions

Cet article examine le bilan énergétique de l’agriculture en tenant compte des sources d’énergie internes et externes sur une base comparable. En raison de la dépendance écrasante de l’agriculture à l’égard des sources d’énergie extérieures, dominées par les combustibles fossiles, il est extrêmement difficile d’atteindre la neutralité énergétique. L’agriculture est prisonnière des combustibles fossiles et le passage à l’électricité est largement limité par la nature des machines agricoles. Nos résultats soulignent que la réduction des aliments pour animaux constitue la principale possibilité d’atteindre la neutralité énergétique dans l’agriculture. La neutralité énergétique est une condition préalable pour que l’agriculture soit une source d’énergie nette pour la société.

Au-delà des résultats chiffrés pour la France, cet article fournit un cadre générique pour évaluer les bilans énergétiques nets dans l’agriculture. Les liens entre l’énergie et l’agriculture ont souvent été supervisés et les politiques de transition dans les secteurs de l’énergie, des transports et de l’agriculture ne parviennent pas à adopter une approche transversale. Le cadre de ce document peut fournir à la société civile et aux décideurs des informations sur les limites et les possibilités énergétiques de l’agriculture en fonction des pratiques de production et de la composition des excédents agricoles. Toute analyse du remplacement potentiel des combustibles fossiles par l’agriculture doit s’appuyer sur un bilan énergétique complet et cohérent plaçant la production et les exigences fonctionnelles de l’agriculture dans une perspective commune comparable.

Souhil Harchaoui et Petros Chatzimpiros

(traduit par J-Pierre Dieterlen)

Documents supplémentaires
Les documents suivants sont disponibles en ligne à l’adresse https://www.mdpi.com/2071-1050/10/12/4624/s1
Les renseignements à l’appui fournissent des détails supplémentaires sur le calcul de l’efficacité de conversion énergétique de la biomasse en combustible.

Contributions des auteurs
Les deux auteurs ont élaboré, discuté et coécrit l’article.

Financement
Les travaux s’appuient sur les fonds du programme de recherche Emergence Ville de Paris Convention 2015 DDEES 165.
Remerciements

Les auteurs remercient quatre réviseurs anonymes et le rédacteur en chef pour leurs commentaires et suggestions utiles pour améliorer le manuscrit.

Conflits d’intérêts
Les auteurs ne déclarent aucun conflit d’intérêts.

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