Cultures de biomasse : zoom sur le potentiel méthanogène des CIVE

Parmi les recommandations régionalisées attendues pour accompagner la production de cultures intermédiaires à vocation énergétique (CIVE), le choix des espèces, leur pouvoir méthanogène et les conditions de récolte sont des questions majeures des agriculteurs méthaniseurs.

L’insertion des CIVE dans les systèmes de culture, la maitrise des aléas pédoclimatiques et l’optimisation des services de l’interculture sont travaillées depuis la fin 2019 dans le projet de recherche & développement Recital et auparavant par d’autre projets. Les nombreuses mesures de potentiel méthanogène⁽¹⁾ des CIVE effectuées au cours de ces travaux ont été compilées pour analyser les facteurs de variation et les conditions de conservation.

De façon générale, le potentiel méthanogène d’un substrat (effluents d’élevage, déchets agroalimentaires, déchets de collectivités, cultures) est la quantité maximale de méthane (CH₄) pouvant être produite par celui-ci (encadré).

Comment est évalué le potentiel méthanogène d’une substance ?Le potentiel méthanogène est déterminé en laboratoire par le test BMP (biochemical methane potential ), consistant à mélanger un échantillon à un inoculum (flore microbienne) et à l’incuber en condition anaérobie à 35-40°C ou à 55-60°C afin de reproduire les conditions d'un méthaniseur. Le gaz émis par l’échantillon sera analysé durant 60 jours en moyenne jusqu’à déterminer le potentiel maximal. Il est exprimé en normomètres cubes (Nm³) de méthane par tonne de matière fraîche, de matière sèche ou de matière volatile. La matière volatile est l’équivalent de la fraction organique de la matière ; pour les biomasses d’origine végétale (paille, CIVE…), il y a 95 à 97 % de matière volatile dans une tonne de matière sèche.

Pour les CIVE, ce potentiel méthanogène varie de 200 à 310 Nm³/t MS selon les espèces (figure 1). Le potentiel du maïs, mesuré avec le concours de la FNPSMS⁽²⁾, est de 298 Nm³/t MS en moyenne, sans pouvoir mettre en évidence de différence entre les variétés étudiées jusqu’à présent. Le potentiel moyen des autres espèces est très proche (258 Nm³/t MS) avec une forte variabilité qui ne permet pas de différencier ces espèces. Cependant, s’il reste important de caractériser les intrants de chaque unité de méthanisation, un grand nombre d’analyses serait nécessaire pour discriminer ces espèces, avec un enjeu qui reste réduit par rapport à d’autres facteurs de réussite.

Le choix de l’espèce est moins décisif que la réussite de la conduite

Les variations de potentiel observées en pratique dépendraient moins des espèces que d’autres facteurs. Ainsi le potentiel méthanogène tend à diminuer avec le stade de développement des plantes. À un stade plus avancé, malgré des teneurs en amidon et en sucres digestibles supérieures liées au remplissage des grains, la lignification plus importante de la culture expliquerait ces résultats. Ces tendances ont été également validées sur un blé entre les stades épiaison et maturité physiologique.

Toutefois, dans le cas des CIVE, cette baisse du potentiel méthanogène est compensée par la production supplémentaire de biomasse lorsque la récolte est légèrement plus tardive. Le rendement méthanogène⁽³⁾ de la parcelle est alors augmenté (figure 2). Directement lié à la rémunération de l’agriculteur, ce rendement méthanogène est donc un meilleur indicateur de choix pour les CIVE.

Par conséquent, optimiser le rendement en biomasse est le plus essentiel : la conduite de la CIVE doit viser une production maximale de biomasse, en veillant cependant à ne pas trop impacter la culture alimentaire suivante.

Une fois récoltée, la CIVE doit être ensilée pour sa conservation avant d’alimenter le méthaniseur. Il faut donc également veiller à assurer sa bonne conservation en ensilage.

Un des paramètres importants pour une bonne conservation est le taux d’humidité de la CIVE à la récolte : plus l’humidité est élevée, plus les risques de mauvaise conservation sont élevés même si de bonnes pratiques permettent de valoriser les CIVE. Là encore, la date de récolte est un facteur de choix essentiel. C’est un compromis entre l’attente d’un stade avancé pour un rendement et un taux de matière sèche adaptés et le risque d’impacter la culture alimentaire suivante, notamment après une CIVE d’hiver.

Assurer une bonne qualité de conservation est essentiel

Afin de garantir une bonne fermentation, une bonne acidification ainsi que la stabilisation de l’ensilage, des teneurs en sucres solubles supérieures à 2,5 % de la matière brute sont nécessaires. Ces valeurs sont heureusement souvent atteintes dans les fourrages récoltés immatures comme les CIVE.

Le taux de matière sèche idéal à la récolte est de 30 %. Au-dessous, d’importantes productions d’effluents d’ensilage ou « jus » peuvent avoir lieu (encadré), mais ceux-ci sont fortement réduits dès 25 %, voire nuls dès 28°%MS. Ces jus sont des sources de pertes de potentiel méthanogène s’ils ne sont pas valorisés, de même que l’exposition à l’air lors du désilage (figure 3), qui doit être réduite au minimum.

Les teneurs en acides butyrique et acétique ne sont pas des contraintes pour la méthanisation. Plus l’ensilage est humide, plus leurs teneurs seront élevées ; ceci traduit des pertes fermentaires (sous forme de CO₂), invisibles. En revanche, il y aura peu de pertes au désilage car de tels ensilages sont « stables », les acides butyrique et acétique inhibant le développement et l’action des levures et moisissures. C’est une autre raison d’affirmer qu’une teneur en matière sèche de 30 % est optimale : une telle teneur offre un compromis entre pertes fermentaires et pertes au désilage.

Une technique de co-ensilage avec des substrats plus secs comme la paille est actuellement à l’étude⁽⁴⁾ pour améliorer la conservation des CIVE dont le taux d’humidité à la récolte est élevé (taux de matière sèche inférieur à 25 %) - une alternative au préfanage qui engendre des surcoûts, retarde l’implantation de la culture suivante et peut retarder la culture suivante.

(1) Le potentiel méthanogène d’une culture (ou pouvoir méthanogène) correspond à la quantité de méthane produite par une tonne de biomasse sèche. Il est exprimé en mètres cubes normalisés par tonne de matière sèche (Nm³/t MS).

(2) Fédération nationale des producteurs de semences de maïs et de sorgho.

(3) Le rendement méthanogène d’une culture (en Nm³/ha) est la quantité de méthane qui peut être produite par hectare cultivé. Il est égal au produit du potentiel méthanogène (en Nm³/t MS) par le rendement de la culture (en t MS/ha).

(4) D'après l'étude de Clément Van Vlierberghe : « Stockage et prétraitement des CIVEs avant leur méthanisation », thèse de doctorat en Génie des procédés, en préparation à Sup’Agro-Montpellier. L’écoulement des jus, l’autre enjeu de l’humidité des CIVEPour un taux de matière sèche des CIVE de 20 % en moyenne à la récolte, le risque d’écoulement d’effluents au stockage est important : de 70 à 220 litres par tonne d’ensilage. Le volume est considérablement réduit au-delà de 25% MS, et quasi nul à l’approche des 30% MS. Ces effluents sont très concentrés en matière organique (16 à plus de 80 g DCO⁽⁵⁾/l) et en azote (3 à 5 g d’azote total/l), soit des valeurs similaires ou supérieures à celles des lisiers. Ces jus engendrent des risques de pertes de potentiel méthanogène s'ils ne sont pas valorisés. Ils sont aussi source de risques de pollution des eaux de surfaces et des nappes phréatiques s’ils ne sont pas récupérés par un dispositif pour être réintégrés dans le digesteur. Enfin, ils contribuent à dégrader les silos de stockage à cause de leur forte acidité.

(5) La demande chimique en oxygène (DCO) est la quantité d’oxygène nécessaire pour oxyder toute la matière organique contenue dans l’eau ou l’effluent. Elle est un indicateur de la concentration en matière organique dans un liquide.