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Le Club de Mediapart lun. 29 août 2016 29/8/2016 Dernière édition

Ammoniac et Agriculture


 

Ammoniac et agriculture.

La question des émissions d’ammoniac dans l’air est encore très largement occultée en France. Elles sont essentiellement d’origine agricole ( 662 000 tonnes en 2012 imputables à l’agriculture sur un total de 679 000 tonnes - source CITEPA 2014, France métropolitaine), et sont produites surtout lors des épandages d’engrais azotés et d’effluents d’élevage. A partir de cet ammoniac dans l’air se forme du protoxyde d’azote ( N2O), très puissant gaz à effet de serre ( 1 kg de N2O = 298 kg équivalent CO2). De ce fait, le secteur agricole est le principal émetteur de protoxyde d’azote ( 163 000 tonnes/an, soit 89% des émissions nationales de ce gaz). Par ailleurs dans l’air l’ion ammonium NH4+ se combine par nucléation avec des ions nitrates ( eux-mêmes issus en partie de l’ammoniac) et sulfates pour former, après condensation et coagulation, des particules fines inorganiques secondaires, qui dans nos régions sont souvent à elles seules responsables des dépassements de plafond de particules fines dans l’air, en particulier lors des pics de pollution de printemps. La France a ratifié le protocole de Göteborg sur la réduction des émissions de polluants atmosphériques, s’étant ainsi engagée, d’ici 2020, à réduire les émissions d’ammoniac dans l’air d’un plutôt modeste 4% par rapport au niveau de 2005.

L’évolution des techniques et l’intensification que l’agriculture a connu ces dernières décennies ont fortement contribué à l’augmentation de ses émissions d’ammoniac :

  • Pour les cultures, l’utilisation des engrais minéraux azotés sous forme liquide s’est généralisée. Par rapport à l’utilisation d’engrais sous forme solide, elle permet une meilleure régularité de la répartition de l’engrais au champ ainsi qu’une largeur de travail plus grande, donc un débit de chantier plus élevé. Mais la proportion d’azote volatilisé dans l’air lors de l’épandage s’en trouve accrue de façon significative. Le CITEPA évalue pour 2012 à 127 000 tonnes les quantités d’ammoniac volatilisées dans l’air lors des épandages d’engrais minéraux, soit près de 105 000 tonnes d’azote perdues.

  • Pour ce qui est de l’élevage, le CITEPA, en lui imputant les émissions occasionnées par les épandages d’effluents d’élevage et les pâtures, estime à 500 000 tonnes les pertes d’ammoniac dans l’air en 2012, dont 340 000 tonnes pour l’élevage bovin ( 127 000 tonnes pour les seules vaches laitières). Conséquence de ce qu’il est convenu d’appeler la « restructuration » de la production laitière à l’œuvre depuis un demi siècle, c'est-à-dire la concentration de la production laitière sur un nombre plus réduit de troupeaux de plus grande taille, la part de l’herbe pâturée dans la ration des animaux a diminué au profit de celle des aliments distribués à l’auge. Au-delà de 80 – 100 VL par étable, les animaux ne pâturent plus de façon significative. Or, le passage de systèmes laitiers herbagers à des systèmes sans pâture s’accompagne de profondes modifications dans le cycle de l’azote. En effet, lorsqu’une vache urine en pâture, l’urée et l’acide urique s’infiltrent rapidement dans le sol, avant que ces produits ne s’hydrolysent en libérant de l’ammoniac, retenu par le complexe argilo-humique du sol. Au contraire, lorsqu’une vache urine sur du béton, il n’y a évidemment pas d’infiltration, et une partie importante de l’azote excrété se trouve rapidement volatilisé, d’autant plus que l’urine se trouve mélangée aux bouses qui contiennent des uréases, enzymes catalysant l’hydrolyse de l’urée en ammoniac et CO2. Il est faux de dire que les vaches en pâture excrètent davantage d’azote que les vaches en stabulation. A niveau de production identique et avec une ration équilibrée elles en excrètent autant mais celui-ci est plus efficace pour recharger la solution du sol en azote que celui excrété par les vaches qui restent à l’intérieur des bâtiments, d’autant plus que dans ce dernier cas s’ajoutent les pertes par volatilisation lors du stockage, de la manipulation et de l’épandage des effluents. La même évolution, avec les mêmes conséquences, est observée pour la production de viande bovine. Certes, le troupeau allaitant est encore très majoritairement dans les pâturages, mais la production traditionnelle de bœufs, élevés à l’herbe, a quasiment disparu, au profit de l’élevage de taurillons en bâtiments.

Aujourd’hui, se développe une nouvelle technique qui risque fort d’aggraver considérablement les émissions d’ammoniac dans l’air, avec, en corolaire, une augmentation des émissions agricoles de protoxyde d’azote, pourtant déjà considérables, et de la teneur en particules fines inorganiques secondaires dans l’air, pourtant déjà excessive à certaines périodes de l’année. Il s’agit de la méthanisation, technique ayant aujourd’hui le vent en poupe car sensée permettre de réduire nos émissions de gaz à effet de serre grâce à la production d’une énergie qualifiée de « renouvelable », le biométhane, utilisable en substitution à une source d’énergie d’origine fossile, et aussi de conforter le revenu des agriculteurs se lançant dans cette entreprise. La méthanisation présente en effet l’inconvénient de transformer pratiquement la totalité de l’azote entrant dans le digesteur en ammoniac. Seul est conservé dans sa forme organique initiale, ou partiellement altérée, l’azote constituant les molécules non dégradées par les bactéries méthanogènes, essentiellement de la lignine. A la sortie du digesteur, presque tout l’azote entrant se retrouve donc en solution dans la phase liquide du digestat, avec une forte tendance à se volatiliser dans l’atmosphère dès lors que cette phase liquide est exposée à l’air libre…

L’examen du projet de la SCEA de la côte de Justice, sur les communes de Buigny Saint Maclou et Drucat , dans la Somme, plus connu sous le nom de « Ferme des Mille Vaches », va permettre d’illustrer le propos.

A la lecture de l’arrêté préfectoral du 1er février 2013 , autorisant Monsieur Ramery à exploiter un méthaniseur de 9000 mètres cube alimentant en gaz une unité de cogénération d’une puissance de 1,338 MW électriques ( et 1,745 MW thermiques ), le tout étant adossé à une « étable » de 500 vaches laitières et la suite ( en attendant mieux probablement), il apparaît à première vue que l’enjeu ammoniac a été pris en compte :

  • L’épandage de la phase liquide du digestat sera effectué avec des citernes équipées d’enfouisseurs, matériel permettant effectivement de limiter très fortement la volatilisation de l’ammoniac au moment de l’épandage, avec toutefois l’inconvénient de réduire très significativement les périodes d’épandage, puisque le passage des enfouisseurs détruit le couvert végétal en place.

  • Pour les locaux fermés équipés de conduits d’aération, des plafonds d’émission d’ammoniac à ne pas dépasser ont été définis : 70 kg d’ammoniac par an pour le bâtiment process, et 876 kg par an pour le local cogénération…

Il se trouve pourtant que l’essentiel est ailleurs. L’arrêté préfectoral indique en effet à l’article 1.2.5 que « Après centrifugation et évaporation du digestat brut, la production annuelle du digesteur est limitée à 16 465 tonnes de digestat liquide ( siccité d’environ 12,5%) et 2045 tonnes de digestat solide ( siccité supérieure à 27%). » Ceci sans davantage de commentaires, la siccité étant la teneur en matière sèche .

Il est donc question de concentrer par évaporation le digestat, pour réduire un peu les volumes à épandre. L’arrêté précise en effet que 32 200 tonnes de matières entreront dans le digesteur par an, pour une production d’environ 4,5 millions de mètres cubes de biogaz, ( environ 5500 tonnes ), ainsi que les 18 510 tonnes de digestat ayant subi une séparation de phase par centrifugation, et une concentration par évaporation d’une partie de l’eau constituant le digestat. De ce qui précède, il est facile de déduire qu’entre ce qui rentre dans le digesteur et ce qui en sort il y a une différence d’environ 8200 tonnes, qui correspond à la masse évaporée à l’atmosphère, surtout de l’eau. Observons au passage que pour vaporiser 8200 tonnes d’eau, il faut apporter 18 000 giga joule de chaleur ( 2,2 MJ par kilogramme d’eau évaporée), soit l’énergie dégagée par la combustion de 840 000 mètres cubes de biométhane, près de 20% de ce qu’il est prévu de produire…

Le problème, c’est évidemment que l’évaporation de cette masse d’eau va s’accompagner de la volatilisation de la totalité de l’ammoniac qui s’y trouvait en solution, et même beaucoup plus, l’ammoniac étant nettement plus volatil que l’eau. Sous l’hypothèse que la phase aqueuse du digestat brut contienne 3 grammes d’ammoniac par litre ( c’est un minimum), c’est au bas mot 50 tonnes d’azote sous forme ammoniacale qui se volatiliseront dans l’air chaque année lors des opérations de concentration du digestat, si l’on fait l’hypothèse que la vaporisation d’une tonne d’eau entraine la volatilisation de l’ammoniac initialement en solution dans 2 tonnes d’eau. Il s’agit là probablement d’une hypothèse basse. Les plafonds d’émissions décrétés par l’autorité préfectorale pour les locaux fermés équipés de conduits d’aération apparaissent complètement dérisoires, voire hypocrites, au regard des quantités d’ammoniac qui vont se volatiliser dans l’air lors de la phase d’évaporation du digestat, opération qui manifestement se déroulera à l’air libre… Selon les estimations du GIEC, un kilo d’azote ammoniacal volatilisé dans l’air, c’est à la clé 157 grammes de N2O produit, soit un impact effet de serre de 47 kg équivalent CO2. A noter que sur cette base, les 662 000 tonnes d’ammoniac émises dans l’air par l’agriculture chaque année sont responsables à elles seules de 64% des émissions agricoles de protoxyde d’azote… La volatilisation de l’ammoniac dans l’air occasionnée par la concentration des effluents de digestion du méthaniseur de la ferme des mille vaches ( dans la configuration 500 vaches seulement) va générer des émissions de protoxyde d’azote d’environ 2 350 tonnes équivalent CO2. Ce chiffre est à mettre en rapport avec l’estimation faite par les promoteurs du projet qui considèrent que dans la configuration mille vaches, la méthanisation permettra d’économiser 1 805 tonnes équivalent CO2 grâce à l’utilisation énergétique du biométhane… Il peut également utilement être rapporté au contenu énergétique du biométhane produit, soit 4,5 millions de mètres cubes, à 21,44 MJ/mètre cube, en retenant l’hypothèse optimiste d’un biométhane contenant 60% de méthane, donc 96 500 000 MJ, ce qui fait un ratio effet de serre pour le seul impact de l’ammoniac volatilisé dans l’air lors de la phase de concentration du digestat de 24 grammes équivalent CO2 par MJ de biométhane produit, alors que le gaz naturel utilisé en France, auquel ce biométhane va se substituer, a un impact effet de serre après combustion de 68,2 grammes équivalent CO2/MJ… L’impact effet de serre du seul ammoniac volatilisé dans l’atmosphère lors de la phase de séchage (très partiel) du digestat, représente déjà plus de 35% de l’impact effet de serre du gaz naturel équivalent au biométhane produit. On mesure sur ce cas précis, qui n’est malheureusement qu’un exemple parmi tant d’autres, à quelles absurdités peuvent conduire les décisions politiques prises à des fins d’affichage, sans évaluations contradictoires suffisantes, au détriment de l’Intérêt Général.

Les projets de ce type, véritables bombes à effet de serre, sont assez nombreux sur le territoire national. En effet, le tarif de rachat en vigueur aujourd’hui favorise les projets pour lesquels le contenu énergétique du biogaz produit est « efficacement » transformé en énergie finale utilisée ( biogaz effectivement utilisé en substitution à du gaz naturel, pour les projet d’injection dans le réseau, ou électricité + chaleur utilisée pour les projets de cogénération). Cette prime à « l’efficacité énergétique » atteint 4 centimes d’euro/kWh si au moins 70% du contenu énergétique du biogaz produit se retrouve sous forme d’énergie finale effectivement utilisée ( ce qui correspond à un rendement de cogénération plutôt médiocre), et elle est nulle si l’efficacité énergétique est inférieure ou égale à 35%. Sachant que le tarif de base de rachat du kWh électrique produit à partir de biométhane varie de 13,37 centimes d’euro/kWh ( pour les installations de puissance électrique inférieure ou égale à 150 kW) à 11,19 centimes d’euro pour les installations de plus d’1MW comme celle de la ferme des mille vaches, l’obtention de cette prime est essentielle pour rentabiliser le projet. Comme à proximité des sites de méthanisation il n’y a pas toujours d’acheteurs pour la chaleur cogénérée par la production d’électricité à partir du méthane, dont le rendement énergétique plafonne à 40%, c’est même le cas général, comme pour la Ferme des Mille Vaches, il a donc été proposé d’utiliser cette chaleur fatale pour sécher le digestat, afin d’atteindre les fatidiques 70% d’efficacité énergétique pour toucher la prime, ce que les services de l’Etat ont accepté, ADEME en tête…

A noter que ce n’est pas l’efficacité énergétique avec laquelle l’énergie finale produite ( l’électricité) est obtenue qui est prise en compte, mais seulement le coefficient de conversion énergie finale/énergie primaire ( biométhane), certes plus facile à calculer, mais qui ne renseigne pas sur le caractère renouvelable de l’énergie finale produite… Il est vrai qu’il s’agit là d’une boîte de Pandore qu’il est préférable de ne pas ouvrir, ainsi que c’est d’ailleurs le cas pour d’autres énergies qualifiées un peu rapidement de « renouvelables »… Considérons simplement le poids que représente dans le bilan énergétique le transport du digestat jusqu’à la parcelle d’épandage. Sur la base d’un coût énergétique de 5MJ par Tonne.km pour le transport en citerne de 20 000 litres attelée derrière un tracteur agricole effectuant le retour à vide, pour un lisier de bovin dont la méthanisation produit 20 mètres cube de méthane par tonne, représentant un contenu énergétique de 31,8 MJ/mètre cube, rien que le transport du digestat pour son épandage jusqu’à une parcelle distante de 25 km du digesteur consomme 20% du contenu énergétique du méthane produit. Considérant maintenant que seulement 40% du contenu énergétique du méthane produit est efficacement valorisé sous forme d’électricité, le coût énergétique du transport du digestat évoqué ci-dessus représente en réalité 50% de l’énergie finale produite… Et il ne s’agit là que du transport du digestat… Sur certains projets s’ajoutent le transport des matières premières constituant le substrat de méthanisation, dont certaines, comme les boues de stations d’épuration, les lisiers et les fumiers sont assez peu méthanogènes. Il est clair que plus la taille du projet augmente et plus les distances à parcourir pour collecter les matières fermentescibles et pour épandre les digestats vont augmenter, à tel point qu’il y a lieu de s’interroger sur l’existence d’économies d’échelle sur ce type de projets.

Parmi les projets où la chaleur co-produite sera « valorisée » en séchant le digestat, il s’en trouve certains pour lesquels il est prévu de traiter les vapeurs issues de cette opération par de l’acide sulfurique, à l’image de ce qui est pratiqué depuis plusieurs années sur le site Capik ( contraction des noms de CapSeine, coopérative agricole, et Ikos - Environnement) de Fresnoy – Folny en Seine Maritime. L’ammoniac réagit en effet avec l’acide sulfurique pour former du sulfate d’ammonium SO4(NH4)2, ce qui a pour effet de réduire très fortement la volatilité de l’ammoniac. Le sulfate d’ammonium peut être vendu aux agriculteurs comme engrais azoté. Cette forme est notamment utilisée pour le dernier apport d’azote sur blé, au stade montaison, généralement à hauteur d’une quarantaine de kilos d’azote par hectare. Cette technique, dont il conviendrait d’évaluer précisément l’efficacité et qu’il n’est pas prévu d’utiliser sur la ferme des mille vaches ( l’arrêté préfectoral n’en fait pas état), présente plusieurs inconvénients :

  • Les quantités d’acide sulfurique à mettre en œuvre sont importantes : 2,4 tonnes d’acide sulfurique pur par tonne d’ammoniac à abattre… L’entreposage et la manutention de telles quantités d’acide sur un site de méthanisation posent quelques problèmes, notamment réglementaires.

  • La solution aqueuse de sulfate d’ammonium obtenue n’est pas suffisamment concentrée pour intéresser les agriculteurs. Sur le site de Fresnoy – Folny, du sulfate d’ammonium cristallisé est acheté pour enrichir la solution obtenue sur place, afin de pouvoir proposer aux acheteurs une solution de concentration adaptée.

Deux autres solutions pourraient être étudiées pour éviter la volatilisation de l’ammoniac lors des manipulations et de l’épandage du digestat :

  • La première consisterait à oxyder en nitrate l’ammoniac contenu dans le digestat, en y apportant de l’oxygène, par exemple en insufflant de l’air dans la masse de digestat. Les nitrates n’étant que très peu volatils, le risque d’émissions dans l’air, notamment lors des opérations d’épandages, se trouve fortement réduit. Subsiste évidemment le risque de lessivage des nitrates, si les épandages sont effectués sans tenir compte des besoins des couverts végétaux. Il faudrait également veiller à ce que le digestat « oxydé » ne soit pas stocké trop longtemps, car en conditions anaérobies, comme dans les sols saturés d’eau en hiver ou dans les litières accumulées sous les animaux par exemple, les nitrates subissent l’action des bactéries dénitrifiantes qui les utilisent comme source d’oxygène, pour aboutir à la formation de N2, avec cependant une étape N2O, le protoxyde d’azote… La dénitrification est la deuxième cause expliquant l’importance des émissions de N2O d’origine agricole. Le GIEC estime en effet pour un kilogramme d’azote lessivé sous forme de nitrates, 118 grammes de N2O seront émis par dénitrification, ce qui représente un impact effet de serre de 35 kg équivalent CO2.

  • La seconde utiliserait la forte volatilité de l’ammoniac pour le sortir du digestat en soumettant celui-ci à un vide partiel. La compression des vapeurs produites conduirait à obtenir une solution ammoniacale plus ou moins concentrée selon les conditions de température et de pression auxquelles on opère, solution commercialisable auprès des fabricants d’engrais azotés. Evidemment , ce procédé consomme une part non négligeable de l’énergie produite par la méthanisation. Mais il permet de pouvoir recycler en grande partie la phase liquide du digestat débarrassé de son ammoniac en amont du digesteur pour la préparation du substrat de méthanisation. De sorte qu’il n’y aurait plus que la phase solide à épandre. Cela n’est pas envisageable avec la phase liquide du digestat non traité de cette façon, car la concentration en ammonium augmenterait dans le digesteur, bloquant rapidement la fermentation, l’ion ammonium devenant toxique pour les bactéries méthanogènes dès que sa concentration atteint 3 grammes/ litre.

 

Aucune de ces deux solutions n’a été expérimentée pour l’instant.

 

Reste l’épineuse question de l’épandage, qui se pose aussi bien pour les effluents d’élevage non méthanisés que pour les digestats, même si dans ce cas le risque de volatilisation de l’ammoniac est plus important puisque la proportion d’azote sous forme ammoniacale est plus forte que dans les lisiers et surtout les fumiers. Il est maintenant admis que pour limiter de façon substantielle les pertes d’ammoniac par volatilisation lors des épandages, il n’y a qu’une solution : enfouir les effluents le plus rapidement possible après leur épandage. C’est d’ailleurs ce qui est prévu sur la Ferme des Mille Vaches, l’épandage devant être effectué à l’aide de citernes équipées d’enfouisseurs. Ce type de matériel permet effectivement de réduire fortement les émissions d’ammoniac lors de l’épandage puisque l’effluent est enfoui dans une tranchée ouverte dans le sol par le passage d’une dent, puis refermée dès que l’effluent a été déposé, mais présente l’inconvénient , par rapport à l’épandage avec une rampe munies de pendillards, de nécessiter davantage de puissance de traction pour une largeur d’épandage plus faible, et d’endommager la culture en place. L’épandage ne peut donc être effectué qu’entre le semis et la récolte du précédent, ce qui ne laisse que deux créneaux dans l’année pour effectuer les épandages :

  • Avant les semis de cultures de printemps, avec des risques de défaut de portance des sols, ce qui oblige à équiper les citernes de pneus larges basse pression, qui génèrent une augmentation de la consommation du tracteur quand celui-ci circule sur la route.

  • Après moisson, avant les semis de fin d’été – automne. Mais est-il pertinent d’apporter de l’azote sur la parcelle à cette période – là ? Les besoins en azote de la culture avant les pluies drainantes de l’hiver sont faibles, et couverts par le reliquat azoté post récolte du précédent auquel s’ajoutent les apports par la minéralisation automnale de la matière organique du sol. Apporter de l’azote en plus c’est prendre le risque que celui-ci soit en grande partie lessivé à la faveur des pluies hivernales drainantes. Les épandages d’effluents liquides sont d’ailleurs interdit à cette période en Zones d’Action Renforcée avant semis de céréales.

Il n’y a qu’une seule culture qui peut s’accommoder d’épandage sur une période plus large sans nuire à l’environnement : c’est la culture de l’herbe, après chaque coupe, pour peu que soit utilisé un enfouisseur à disques, qui laissent moins de traces de son passage qu’un enfouisseur à dents. Mais, sur la Ferme des Mille Vaches, il n’y aura pas d’herbe… Dans l’intérêt général, les épandages de digestat ne devraient donc être effectués qu’avant les semis de cultures de printemps, ce qui implique de disposer de suffisamment de surfaces en cultures de printemps, et de pratiquement une année de capacité de stockage pour le digestat. Mais à la Ferme des Mille Vaches, aucune de ces deux conditions n’est remplie.

Conclusion :

Les émissions agricoles d’ammoniac dans l’air, représentant 97,5% des émissions nationales de ce gaz, sont au cœur de deux problématiques d’intérêt général majeures :

  • La pollution de l’air aux particules fines, l’ammoniac étant précurseur de particules fines inorganiques secondaires, souvent en cause lors des pics de pollution, en particulier au printemps.

  • Les émissions de protoxyde d’azote N2O, très puissant gaz à effet de serre à longue durée de vie dont l’ammoniac est le principal précurseur, à 89% d’origine agricole dans notre pays.

Pourtant, cette problématique demeure complètement absente de la décision politique… Absente et ignorée, à tous niveaux… Les dispositions en vigueur pour soutenir les projets agricoles de méthanisation en sont une illustration frappante. A ne pas prendre en compte les différents enjeux d’intérêt général dans leur globalité, et en particulier le changement climatique, qui représente pour l’Humanité un défi inédit par l’ampleur tant de ses conséquences potentielles que des remises en causes qu’il devrait susciter, on en vient nécessairement à prendre de mauvaises décisions.

La lutte contre le lessivage de nitrates mobilise aujourd’hui de gros moyens sur de nombreux territoires. A peu de frais, il est encore possible d’intégrer à ces programmes d’actions la dimension volatilisation de l’ammoniac. C’est le sens de la proposition faite par le groupe CIVAM « les Défis Ruraux » tant à l’Agence de l’Eau Seine Normandie, qui finance la quasi-totalité de ces programmes, en septembre 2013, qu’au service « Eaux et Rivières » du Conseil Général de l’Eure, qui gère l’Observatoire des BAC de l’Eure, en janvier 2014. Ces propositions sont restées sans effet pour l’instant. Lorsque ces programmes seront terminés, il sera trop tard.

Patrick Sadones

Paysan en Vallée de Seine, le 6 novembre 2014.

 

 

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Dans le cas de l'usine des 1000 vaches, bien sûr que le bilan carbone est mauvais. La zone d'épandage va jusqu'à 35km de de l'usine.