Contrairement au solaire ou au vent, la bioénergie provenant des cultures stocke l'énergie sous une forme dense et transportable qui peut être utilisée pour les combustibles liquides, la chaleur et l'électricité. Pourtant, sa promesse est tempérée par des préoccupations légitimes concernant l'utilisation des terres, la sécurité alimentaire et l'intégrité écologique. Une évaluation rigoureuse et fondée sur des données du potentiel mondial de la bioénergie basée sur les cultures est essentielle pour éclairer les politiques, les investissements et les programmes de recherche.

La Fondation : Qu'est-ce que la bioénergie basée sur les cultures?

La bioénergie basée sur les cultures désigne la conversion de la biomasse agricole — céréales, tiges, feuilles et autres matières végétales — vers des vecteurs énergétiques utilisables. Les voies les plus courantes produisent des biocarburants liquides tels que l'éthanol (à partir de sucres et d'amidons) et le biodiesel (à partir d'huiles végétales et de graisses animales), mais la biomasse solide provenant des cultures peut également être brûlée directement pour produire de la chaleur ou gazéifiée pour produire de l'électricité.

Principaux stocks et leurs caractéristiques

La diversité des matières premières est vaste, allant des cultures vivrières traditionnelles aux cultures énergétiques dédiées. Chaque type présente des avantages et des compromis distincts en termes de rendement, d'intrants et d'empreinte écologique.

  • Les cultures de sucre (p. ex., canne à sucre, betterave à sucre)[ – Teneur élevée en sucre fermentable; la canne à sucre du Brésil atteint certains des rendements d'éthanol les plus élevés par hectare (7 000 à 8 000 litres/ha), avec des apports énergétiques fossiles faibles dus à la cogénération de la bagasse.
  • Les cultures d'amidon (p. ex. maïs, manioc, blé)[ – Le maïs (maïs) est la principale matière première de la production américaine d'éthanol. Starch doit être hydrolysée enzymatiquement avant la fermentation, ajoutant des coûts de transformation.
  • Les cultures de graines d'huile (p. ex., palmier à huile, soja, colza, jatropha)[ – Les huiles extraites sont transestérifiées en biodiesel. Le palmier à huile produit le plus d'huile par hectare (3,5–5,0 t/ha), mais son expansion a été liée à la déforestation tropicale.
  • Les cultures lignocellulosiques (p. ex., herbage à alternance, malcanthus, peuplier, eucalyptus)[ – Ce sont les prochaines générations : la biomasse des plantes entières est convertie par des voies biochimiques (hydrolyse enzymatique) ou thermochimiques (gazéification, pyrolyse).Elles offrent des rendements totaux de biomasse plus élevés par hectare et peuvent être cultivées sur des terres marginales, mais les coûts de conversion demeurent élevés.
  • Les résidus et les coproduits[ – Les résidus végétaux (pêche de maïs, paille de blé, bagasse de canne à sucre) et les sous-produits de transformation (molasses, glycérine) fournissent une biomasse supplémentaire sans utilisation spécifique des sols.

Technologies de conversion: Du terrain au carburant

La voie technologique choisie a une incidence importante sur le bilan énergétique net, la viabilité économique et l'empreinte environnementale de la bioénergie fondée sur les cultures.

  • Première génération (fermentation du sucre/amidon et transestérification du pétrole) – Bien établie, efficace en capital, mais limitée par la concurrence des aliments pour animaux et les économies relativement faibles de gaz à effet de serre (GES) (40 à 60 % par rapport à l'essence pour l'éthanol de maïs, souvent plus élevée pour l'éthanol de canne à sucre).
  • Deuxième génération (conversion lignocellulosique) – Sous démonstration commerciale; l'éthanol cellulosique provenant de résidus agricoles et de graminées énergétiques peut atteindre 70 à 90 % de réduction des GES.
  • Les voies thermochimiques (gazéification + synthèse Fischer-Tropsch, pyrolyse + hydrotraitement) – Convertir la biomasse entière en gaz de synthèse ou bio-huile, puis mettre à niveau les combustibles à goutte (diesel renouvelable, jet-carburant) compatibles avec les infrastructures existantes.
  • Digestation anaérobie – Les résidus de cultures humides, les herbes énergétiques cultivées à des fins déterminées ou le maïs-ensilage peuvent être fermentés pour produire du biogaz (rich en méthane) pour la chaleur et l'énergie combinées ou mis à niveau en biométhane pour l'injection du réseau.

Potentiel mondial de ressources : quantification de la base de matières premières disponibles

Pour déterminer la quantité de bioénergie produite à partir de cultures à l'échelle mondiale, il faut procéder à une analyse spatialement explicite ascendante qui tient compte de la disponibilité des terres, des potentiels de rendement, des utilisations concurrentes et des contraintes de durabilité. Les estimations publiées varient largement, passant de 100 à 600 exajoules (EJ) par année de potentiel technique d'ici 2050, comparativement à l'utilisation actuelle de l'énergie primaire à l'échelle mondiale, soit environ 600 EJ.

Disponibilité des terres : les principales contraintes

Les terres agricoles couvrent environ 38 % de la surface des terres sans glace de la Terre (5 milliards d'hectares), dont environ un tiers est des terres cultivées et les deux tiers sont des pâturages et des parcours. L'expansion de la bioénergie dans les écosystèmes naturels ou les terres cultivées de première importance consacrées à la production alimentaire est largement opposée.

  • Les terres agricoles abandonnées – Les études estiment que 400 à 800 millions d'hectares de terres agricoles ont été abandonnés dans le monde entier, en particulier dans l'ancienne Union soviétique, en Europe de l'Est et dans certaines parties des États-Unis.
  • Les terres marginales et dégradées – Les sols à faible fertilité, à faible risque d'érosion ou à faible limite d'eau qui ne sont pas en production alimentaire active.La restauration durable de ces terres à racines vivaces profondes peut produire de la biomasse tout en construisant du carbone dans le sol et en empêchant l'érosion.
  • L'intégration à la production alimentaire[ – Les systèmes de double culture, l'agroforesterie et l'interculture peuvent produire des matières premières bioénergétiques sans déplacer les cultures vivrières.Par exemple, la culture du seigle ou du triticale d'hiver pour la biomasse après la récolte de maïs en été aux États-Unis.
  • La concurrence avec d'autres utilisations des terres – Les installations de reboisement, de résauvetage et d'énergie solaire/éolien sont toutes en concurrence pour la même terre.

Projections de rendement et amélioration technologique

Les rendements actuels des cultures énergétiques dédiées sont souvent bien en deçà de leur potentiel génétique et de gestion. Par exemple, les cultures de graminées à fertilisation modérée peuvent atteindre 12 à 15 t/ha dans le Midwest américain, tandis que les estimations conventionnelles des rendements dans les modèles mondiaux utilisent souvent 8 à 10 t/ha. Avec des cultivars améliorés, y compris des variétés tolérant la sécheresse, tolérant le froid et présentant une biomasse élevée, les rendements pourraient augmenter de 50 à 100 % au cours des deux prochaines décennies.

La disponibilité de l'eau est tout aussi importante.La canne à sucre et les mauvaises techniques sont efficaces en termes d'eau, de biomasse produite par unité d'eau transpirée (haute efficacité de l'utilisation de l'eau), mais la demande totale d'eau par hectare est élevée.Dans les régions de l'eau scarce, le potentiel pluvieux est limité et l'irrigation serait en concurrence avec les cultures vivrières et les flux naturels.

Points chauds et contraintes régionaux

Aucune région ne dominera la situation mondiale en matière de bioénergie; au contraire, la base de ressources est largement répartie, chaque région devant des possibilités et des obstacles distincts.

Amérique du Sud: Centrale de la canne à sucre

Le Brésil produit déjà plus de 30 milliards de litres d'éthanol par an à partir de la canne à sucre, ce qui correspond à environ 15 % de sa demande de carburant de transport. Le pays a un autre 100 à 200 millions d'hectares de pâturages qui pourraient être intensifiés ou convertis en canne à sucre tout en augmentant simultanément la production alimentaire par le biais de systèmes intégrés de culture-stocks. Cependant, la déforestation d'Amazonie et de Cerrado demeure un risque si la gouvernance est faible.

Afrique subsaharienne: fort potentiel, fort obstacle

L'approche de la Bioénergie et de la Sécurité alimentaire (BEFS) mise au point par l'Organisation des Nations Unies pour l'alimentation et l'agriculture (FAO) aide les pays à déterminer si la bioénergie peut être développée sans nuire à la sécurité alimentaire. Dans des pays comme la Zambie, le Mozambique et le Ghana, les terres excédentaires pourraient soutenir les opérations de manioc-éthanol ou de biodiesel du jatropha, mais il manque souvent des infrastructures de transport, de traitement et de financement.

Asie du Sud-Est : Dominance de l'huile de palme et questions éthiques

L'Indonésie et la Malaisie produisent environ 85 % de l'huile de palme mondiale, qui est largement utilisée pour le biodiesel. La directive européenne sur les énergies renouvelables (RED II) limite l'utilisation du biodiesel de l'huile de palme en raison des émissions indirectes élevées de changement d'affectation des terres (ILUC). Néanmoins, les rendements en huile de palme par hectare sont inégalés par d'autres oléagineux, et les pratiques agricoles améliorées (par exemple, remplacer les anciennes plantations, utiliser des grappes de fruits vides pour l'énergie) peuvent réduire l'empreinte.

Amérique du Nord : Plateau de maïs et promesse lignocellulosique

Les États-Unis produisent environ 60 milliards de litres d'éthanol de maïs par année, consommant environ 40 % de la culture de maïs domestique. La norme sur les carburants renouvelables (RFS) a entraîné cette expansion, mais la paroi de -blend (E10 est la norme; les mélanges plus élevés comme E15 et E85 ont une infrastructure limitée) limite la croissance. L'avenir se situe dans l'éthanol cellulosique provenant de la cuisinière de maïs et des graminées vivaces dédiées, ainsi que dans le diesel renouvelable provenant du soja et de l'huile de cuisson utilisée.

Europe: Diversifiée mais pays-constrainés

L'UE s'est fixé des objectifs ambitieux en matière d'énergie renouvelable dans les transports (14 % d'ici 2030, avec un sous-objectif pour les biocarburants de pointe). La base terrestre est utilisée intensivement pour la production alimentaire, laissant une marge limitée pour les cultures bioénergétiques.Les biocarburants à base de cultures dominantes sont le biodiesel de colza et l'éthanol de blé, mais ils sont de plus en plus soumis à des critères de durabilité et à des exigences sans ILUC.

Dimensions de durabilité : Au-delà de la comptabilité carbone

Une évaluation crédible du potentiel mondial doit intégrer les contraintes environnementales et sociales de durabilité, et non seulement les calculs techniques de l'énergie.

Émissions de gaz à effet de serre et ILUC

Les émissions directes de la production de biocarburants (p. ex., les engrais, le transport, la transformation) peuvent être gérées, mais le changement indirect d'affectation des terres (CUL) – où les cultures de bioénergie déplacent la production alimentaire, qui s'étend ensuite aux forêts ou aux prairies – peut éliminer les avantages des GES pendant des années ou des décennies. L'ILUC est très incertaine; les modèles économétriques suggèrent que les émissions d'ILUC pour l'éthanol de maïs varient de 10 à 50 gCO2eq/MJ, ce qui fait passer l'analyse du cycle de vie de la source bénéfique à la source, peut-être pire que les combustibles fossiles.

Empreinte de l'eau et gestion des nutriments

Les cultures bioénergétiques, en particulier les plantes annuelles fertilisées par l'azote (maïs, colza), peuvent contribuer à la lixiviation des nitrates et à l'eutrophisation des eaux de surface. Les graminées et Miscanthus, dont les racines sont plus profondes et les besoins en engrais sont moins importants, ont généralement un impact sur la qualité de l'eau. L'empreinte hydrique par unité d'énergie produite varie de plus de 10 : l'éthanol de canne à sucre au Brésil utilise environ 40 à 60 m3 d'eau par GJ de carburant, tandis que le biodiesel de jatropha dans les régions sèches peut dépasser 500 m3/GJ. Toute stratégie durable doit privilégier les systèmes pluviaux et limiter l'irrigation dans les bassins aqueux.

Santé des sols et biodiversité

La conversion de terres naturelles ou semi-naturelles en plantations d'énergie monoculture peut réduire la biodiversité et dégrader le carbone organique du sol. Inversement, des systèmes de bioénergie vivace bien gérés peuvent fournir un habitat aux pollinisateurs, réduire l'érosion du sol et améliorer les stocks de carbone du sol par rapport aux cultures annuelles.

Réalités politiques et économiques

Les bioénergies basées sur les cultures se battent actuellement pour concurrencer les combustibles fossiles à faible coût et les énergies renouvelables moins chères, comme l'énergie solaire et l'énergie éolienne, pour l'électricité. Les économies sont les plus favorables lorsque les coproduits (p. ex., les aliments pour animaux provenant de céréales distillatrices, la glycérine, la bioénergie) sont valorisés et lorsque des prix ou des mandats pour le carbone existent.

  • Mandats et objectifs de mélange[ – La RFS des États-Unis, l'UE RED II, le Brésil, RenovaBio et la politique nationale de l'Inde sur les biocarburants créent une certitude de la demande.
  • Prix du carbone et normes de carburant à faible teneur en carbone[ – Des mécanismes comme la Californie Les LCFS et le système d'échange de quotas d'émission de l'UE récompensent les carburants en fonction de leur intensité en carbone.
  • Les fonds de recherche, de développement et de démonstration – Les voies de deuxième génération et de troisième génération (algues, biologie synthétique) nécessitent des investissements publics et privés continus pour réduire les coûts des enzymes, améliorer le prétraitement et intensifier les processus thermochimiques.
  • Commerce et certification[ – La bioénergie est commercialisée à l'échelle internationale (p. ex. granulés de bois, éthanol). Des systèmes de certification robustes en matière de durabilité (p. ex., CSI, BSR) aident à garantir que la biomasse importée répond aux critères environnementaux et sociaux, mais ils exigent une forte capacité d'application et de vérification.

Synergies et échanges avec d'autres objectifs de développement durable

La bioénergie basée sur les cultures n'existe pas isolément. Elle interagit avec les systèmes alimentaires, l'atténuation des changements climatiques, le développement rural et la biodiversité.Une stratégie de déploiement durable doit s'aligner sur les Objectifs de développement durable (ODD) des Nations Unies, en particulier l'ODD 7 (énergie abordable et propre), l'ODD 2 (faim zéro), l'ODD 13 (action climatique) et l'ODD 15 (vie sur terre).

Par exemple, la production de bioénergie peut fournir un revenu supplémentaire aux agriculteurs, ce qui pourrait augmenter le niveau de vie en milieu rural. Toutefois, si elle n'est pas gérée avec soin, elle peut exacerber la concentration des terres et faire grimper les prix des denrées alimentaires.Des approches intégrées, comme le cadre -(en anglais)-energy-water-nexus-sacrificators, aident les planificateurs à évaluer systématiquement les compromis.

Étude de cas : Systèmes intégrés d'énergie alimentaire au Mali

Les petits exploitants agricoles du Mali ont adopté un système où les cultures vivrières (mil, sorgho) sont entrecroisées avec des arbres à rotation courte (Faidherbia albida) dont les feuilles fixatrices d'azote fertilisent le sol. Les arbres fournissent également du bois de chauffage et des branches pour la production de biochar. Ce système intégré améliore les rendements alimentaires, réduit les coûts des engrais et génère de la bioénergie, un exemple tangible d'un modèle viable de bioénergie à petite échelle qui évite les conflits d'utilisation des terres.

Perspectives d'avenir : Qu'est-ce qu'il faudrait pour réaliser le potentiel?

Le potentiel mondial de bioénergie durable basée sur les cultures est réel mais conditionnel. Si le monde doit déployer 100 à 200 EJ/an de bioénergie d'ici le milieu du siècle (comme de nombreux scénarios de stabilisation climatique l'envisagent), plusieurs transformations sont nécessaires :

  • Priorité pour les déchets, les résidus et les cultures vivaces sur les terres marginales – Cela réduit la concurrence pour l'utilisation des terres et l'ILUC.
  • La télédétection, la fertilisation à taux variable et les variétés tolérant la sécheresse peuvent augmenter les rendements tout en réduisant l'impact environnemental.
  • Échelle de taille des technologies de conversion avancées – Les biocarburants cellulosiques et les bioaffineries thermochimiques doivent passer d'une échelle pilote à une échelle commerciale.
  • La gouvernance et l'aménagement du territoire – Le zonage des terres aux niveaux national et infranational est nécessaire pour désigner des zones de production d'énergie qui évitent les zones à forte teneur en carbone, à forte biodiversité et à haute sécurité alimentaire.
  • Price mondiale du carbone[ – Un prix uniforme et en hausse du carbone permettrait d'établir des conditions égales pour la bioénergie par rapport aux combustibles fossiles et d'accélérer les investissements dans les technologies secondaires et tertiaires des biocarburants.

En résumé, la bioénergie basée sur les cultures a le potentiel biophysique de contribuer de façon significative au mélange énergétique mondial, peut-être jusqu'au quart de la demande actuelle d'énergie primaire, mais seulement si elle est développée dans le respect des frontières planétaires et de l'équité sociale. Le fruit à faible réchauffement réside dans la mobilisation des résidus agricoles et la restauration des terres dégradées avec des graminées vivaces.

Si les gouvernements, les investisseurs et les agriculteurs collaborent pour mettre en oeuvre les pratiques et les politiques éprouvées décrites ci-dessus, la bioénergie basée sur les cultures pourrait devenir la pierre angulaire de la transition vers l'énergie propre. Sinon, la ressource restera largement inexploitée ou, pire, dommageable pour l'environnement.