Direct soil burial or agricultural biogas production : what is the best biomass management option to mitigate CO2 emissions? | Retour au sol ou méthanisation agricole : quelle est la stratégie de gestion de la biomasse la plus efficace pour atténuer les émissions de CO2 ?

English. Anaerobic digestion of agricultural biomass on the one hand, and enhanced carbon sequestration in soils through biomass direct burial on the other hand, are two key options available in agriculture to mitigate greenhouse gas (GHG) emissions. However, both options are partly antagonistic because they rely on the use of the same biomass resource which is available in limited spatially-clustered amounts. A competition of use for this resource is likely to appear, especially in a context of simultaneous development of both biomass use options. This PhD aims at comparing in terms of net GHG emissions and soil carbon storage, anaerobic digestion vs. direct burial of agricultural biomasses (livestock manure, crop residues, cover crops) and sewage sludge at the national scale of France. To achieve this objective, we developed a spatially explicit GHG balance tool by combining an anaerobic digestion model (SYS-Metha) - that simulates the production of biogas and digestate from incoming substrates - with an agronomic model (AMG) that simulates the carbon dynamics in agricultural soils. For both biomass use options, we estimated the net GHG emissions (positive, negative or avoided) from substrate mobilization to biomass spreading on soils (either as raw or as digestate) and biogas use. Each emission was simulated or estimated based on updated literature. We found that the biomethane production potential in France was about 64.1 TWh/year and was mainly located in livestock production specialized regions. Biomethane production could be increased up to 108.7 TWh/year - especially in cereal-oriented regions - by generalizing the use of cover crops in French cropping systems. Due to stoichiometric constraints related to the anaerobic digestion process (C/N ratio and water content of the substrates), a large amount of crop residues could not be used, mainly in arable crop regions. Furthermore, this PhD demonstrated that biogas production was more effective in mitigating GHG emissions than direct burial of agricultural biomasses provided that improved management is implemented (e.g., leakage control, biogas injection rather than cogeneration). The climate benefits of anaerobic digestion were mainly due to the substitution of biogas to fossil fuel sources and to the reduction in manure storage emissions. Compared to biomass burial, the production and direct injection of biomethane into gas grids would reduce GHG emissions by 10.8 Mt CO2 eq/year at the French scale, i.e. 2.6% of national emissions. This would reach 17.1 Mt CO2 eq/year (4.1% of national emissions) if cover crops were generalized. In the French context, cogeneration would have a lower performance due to a highly decarbonized electricity mix, especially if heat is not recovered. We also demonstrated that the control of biomethane emissions during anaerobic digestion was the major driver of their GHG balance (fugitive emissions from the digester, coverage of digestate during storage and residual biogas recovery). Finally, we found that the application of digestate to soils compared to raw biomass decreased the amount of carbon stabilized in soil organic matter over the long term. Nevertheless, this difference in carbon storage reached zero after 30 years, while biogas production provides unlimited substitution effects to fossil fuel sources. This PhD provides useful insights to help public decision to reduce national GHG emissions. It also provides a replicable methodology to support the ecological and energy transition at different scales.

French. La méthanisation de la biomasse d’une part et la séquestration accrue de carbone dans les sols grâce à l’enfouissement direct de la biomasse d’autre part sont deux leviers majeurs mobilisables en agriculture pour atténuer les émissions de gaz à effet de serre (GES). Cependant, ces deux usages sont en partie antagonistes car ils s’appuient sur l’utilisation d’un même gisement de biomasse disponible en quantité limitée et localisée. Une compétition d’usage pour cette ressource risque d’apparaître, a fortiori dans un contexte de développement concomitant de ces deux voies. Cette thèse vise à comparer en termes d’émissions nettes de GES et de stockage de carbone dans les sols, la méthanisation vs. l’enfouissement direct des biomasses agricoles (effluents d’élevage, résidus de culture, cultures intermédiaires) et des boues d’assainissement à l’échelle nationale de la France. Pour répondre à cet objectif, nous avons mis au point un modèle spatialement explicite de bilan de GES couplant un modèle de méthanisation (SYS-Metha) – simulant la production de biogaz et de digestat à partir des substrats entrant – à un modèle agronomique pour simuler la dynamique du carbone dans les sols agricoles (AMG). Pour chacune des deux voies nous avons considéré les émissions nettes de GES (positives, négatives ou évitées) allant de la mobilisation des substrats jusqu’à la valorisation agronomique de la biomasse (produits bruts ou digestats) et la valorisation énergétique du biogaz produit. Chaque poste d’émission a été estimé par simulation ou en utilisant les références disponibles dans la littérature. Les résultats obtenus montrent que le potentiel de production de biométhane en France est de l’ordre de 64.1 TWh/an et est majoritairement localisé dans les régions d’élevage. Il pourrait être augmenté jusqu’à 108.7 TWh/an – notamment dans les régions orientées grandes cultures – en généralisant les cultures intermédiaires au sein des systèmes de culture français. Du fait de contraintes stoechiométriques relatives au procédé de méthanisation (rapport C/N et teneur en eau des substrats), une large quantité de résidus de culture ne pourrait être exploitée, principalement dans les régions de grandes cultures. Cette thèse démontre par ailleurs que la méthanisation permet d’atténuer davantage les émissions de GES que l’enfouissement des biomasses agricoles si plusieurs conditions sont réunies (limitation des fuites, injection du biogaz plutôt que cogénération). Cette atténuation est principalement permise par la substitution du biogaz à des sources d’énergies fossiles et à la réduction des émissions au stockage des effluents d’élevage. Comparée à l’enfouissement des biomasses, la production et l’injection directe dans le réseau gaz de biométhane permettrait d’abattre les émissions de GES de 10.8 Mt CO2 éq/an à l’échelle française, soit 2.6 % des émissions nationales. Cette valeur s’élèverait à 17.1 Mt CO2 éq/an (4.1 % des émissions nationales) si les cultures intermédiaires étaient généralisées. Dans le contexte français, la cogénération aurait de moindres performances du fait d’un mix électrique très décarboné, a fortiori si la chaleur n’est pas valorisée. Nous avons aussi démontré que l’atténuation des émissions de CH4 par les méthaniseurs était le principal déterminant de leur bilan GES (émissions fugitives du digesteur, couverture des digestats durant leur stockage et récupération du biogaz résiduel). Enfin, nous avons trouvé que l'application aux sols de digestats par rapport à la biomasse non digérée diminuait la quantité de carbone stabilisée à long terme dans la matière organique du sol. Néanmoins, ce différentiel de stockage de carbone tend vers zéro au-delà de 30 ans, tandis que la méthanisation présente l’avantage de générer de façon indéterminée des effets de substitution vis-à-vis des énergies fossiles. Cette thèse apporte des références pour éclairer la décision publique afin de réduire les émissions de GES nationales. [...]