ÉMISSIONS DE GAZ À EFFET DE SERRE PAR LES ANIMAUX AUX BÂTIMENTS Alfred Marquis, Ph. D., agronome, ingénieur Professeur, Université Laval amarquis@grr.ulaval.ca M. Alfred Marquis est professeur au Département des sols et de génie agroalimentaire à l Université Laval. Ses activités de recherche portent sur la qualité de l air à l intérieur et autour des bâtiments d élevage et visent surtout à contrôler les émissions de gaz, d odeurs et de poussières. Plusieurs de ses projets sont spécifiquement reliés aux émissions de gaz à effet de serre, en particulier les émissions associées aux déjections animales en entreposage ou ayant subi un traitement.
ÉMISSIONS DE GAZ À EFFET DE SERRE PAR LES ANIMAUX AUX BÂTIMENTS INTRODUCTION Les animaux d élevage et leurs déjections produisent une multitude de gaz dans l atmosphère. On a mesuré jusqu à 168 composés volatils dans les élevages porcins (O Neill et autres, 1992). Certains gaz se retrouvent en quantités importantes alors que d autres sont en très faibles quantités et sont surtout détectés par le nez humain. Certains de ces gaz contribuent aux pluies acides et à la formation de smog; c est le cas de l ammoniac. D autres gaz sont très toxiques comme le sulfure d hydrogène et d autres encore sont des gaz à effet de serre (GES), dont principalement le gaz carbonique (CO 2 ), le méthane (CH 4 ), et l oxyde nitreux (N 2 O) aussi appelé hémioxyde d azote ou protoxyde d azote. Selon le document de travail du Comité interministériel sur les changements climatiques (2000), la production de GES par l agriculture au Québec représente environ 9 % de la production totale des GES produits. En équivalent CO 2 (CO 2 x 1 + CH 4 x 21 + N 2 O x 310 - pour une période de 100 ans), le méthane représentait, en 1990, 37 % des émissions, l oxyde nitreux 61 % et le dioxyde de carbone 2 %. Le Groupe-conseil BPR en association avec le Groupe de recherche en économie et politiques agricoles (GREPA) (2000) indiquent que la totalité du CH 4 considéré dans les calculs provient des élevages alors qu une proportion de 30 % du N 2 O est attribuable à leurs déjections. Il est également noté qu aucun bilan n a été tenté pour établir l émission de CO 2 en provenance du secteur agricole. Le bilan du gaz carbonique à l échelle de l agriculture canadienne ne tient pas compte de l émission provenant des élevages (McRae et autres, 2000). Ce ne sont que les changements dans la quantité de carbone du sol et l utilisation d hydrocarbures fossiles à la ferme ou pour la fabrication d intrants qui sont considérés. ÉMISSIONS DE CO 2 Par les animaux eux-mêmes La production de gaz carbonique par les animaux aux bâtiments résulte en quasi totalité (plus de 96 %) de leur respiration, le solde étant produit par la dégradation des déjections 2
(CIGR, 1994). Celle-ci est fonction de la production de chaleur totale des animaux et peut être estimée à 0,32 g CO 2 /heure /Watt de chaleur produite. À titre d exemples : Considérons une vache laitière de 600 kg donnant en moyenne 20 kg de lait par jour, logée dans un bâtiment maintenu à 15 o C. Elle produit 1 140 W de chaleur totale correspondant à 3,2 tonnes de CO 2 par année. Un porc de 80 kg, dans un bâtiment maintenu à 20 o C, produit 222 W de chaleur totale. Gardé pour une année complète à cette masse moyenne, il produira 0,62 tonne de CO 2. Remarquez que pour le même 600 kg de masse animale, le porc produit plus de gaz carbonique que la vache soit : 7,5 x 0,62 = 4,65 tonnes. Par les déjections animales La production de CO 2 par les déjections en entreposage est liée à la méthode d entreposage qui conduit à des conditions de disponibilité en oxygène plus ou moins grande. Le maintien de conditions aérobies permettra la transformation d une partie des produits carbonés en CO 2 alors que les conditions anaérobies, dans le cas du lisier, favoriseront la production de biogaz formé de méthane et de gaz carbonique. Donc, les fumiers riches en litière et bien aérés émettront une quantité importante de CO 2 ; avec le lisier non aéré, on aura surtout du biogaz formé d environ 60 % de CO 2 (base massique). En plus de la disponibilité d oxygène, les principaux facteurs qui influencent la production de CO 2 des déjections en entreposage sont : la composition des déjections, surtout la quantité et les propriétés des solides volatils, la température, le ph et la durée d entreposage. Il y a peu de données ou des formules pour calculer la quantité de CO 2 émise par les déjections en entreposage. Elle est toutefois moins importante que la production aux bâtiments. La raison de ce manque d information est qu aucun organisme inclut ces émissions dans le calcul de la production de gaz à effet de serre des élevages. Le calcul suivant va nous montrer que c est peut-être là une erreur si on veut réaliser des bilans sectoriels : Nous pouvons considérer le potentiel d émission du méthane dans le biogaz par rapport aux solides volatils (SV) des déjections (IPCC, 1997), soit de 0,16, 0,113 et 3
0,30 kg de CH 4 /kg de solides volatils pour les bovins laitiers, les bovins non laitiers et les porcs respectivement. Ce biogaz contient également 0,24, 0,17 et 0,45 kg de CO 2 /kg de solides volatils (soit 60 % de CO 2 base massique). Ainsi, une vache laitière de 600 kg pourrait potentiellement produire : 6 kg de SV/jour x 0,24 kg de CO 2 /kg de SV x 0,39 (un facteur relié au climat froid d Amérique du Nord) x 365 jours/année = 205 kg de CO 2 par année pour cette vache; Le même calcul pour un porc de 80 kg et une gestion liquide des déjections donne : 0,68 x 0,45 x 0,39 x 365 = 44 kg de CO 2 pour " une place porc " d un poids moyen de 80 kg au cours d une année. Ce sont là des quantités d une importance relative et qu il ne faudrait pas négliger. Il est à noter que le même calcul, mais avec des déjections entreposées sous forme solide, donnerait plus de CO 2. Par les équipements de chauffage Il n y a aucune information à ce sujet mais il faut reconnaître que la production de CO 2 par les équipements de chauffage est négligeable dans la plupart des productions animales. Seul l élevage du poulet pourrait donner lieu à des valeurs d une importance relative. ÉMISSIONS DE CH 4 Par les ruminants Les polygastriques produisent une quantité importante de méthane par fermentation entérique au cours de la digestion de leurs aliments. Elle est généralement exprimée en fonction de l énergie alimentaire. Ceci fait immédiatement ressortir l importance de l alimentation. Ce sujet sera traité plus en détails dans la prochaine présentation. Voici toutefois un ordre de grandeur de ces émissions, qui sont considérées dans l ensemble des émissions de gaz à effet de serre aux bâtiments. Le Groupe d experts intergouvernemental sur l évolution du climat (IPCC, 1997) 4
considère qu une vache laitière de 600 kg dans la partie froide de l Amérique du Nord produit 118 kg/an de méthane entérique. Par les monogastriques Les monogastriques produisent beaucoup moins de méthane par la digestion des aliments qu en produisent les polygastriques. En effet, pour un poids vif équivalent, un monogastrique produit moins de 10 % du méthane émis par un polygastrique. À titre d exemple, un porc de 80 kg produit un kg de méthane par année par fermentation entérique (IPCC, 1997). Cependant, cette production est fonction de l énergie digestible des aliments. Par les déjections Tel que mentionné pour le CO 2, les émissions de CH 4 des déjections sont fortement influencées par le type d animal, la quantité de matière solide volatile, la disponibilité d oxygène (aérobie ou anaérobie), la température, le ph et la durée d entreposage. À titre d exemple et se basant sur les conditions prévalant pour l entreposage des déjections dans un climat froid de l Amérique du Nord et dans un réservoir à lisier, nous pouvons faire un calcul semblable à celui déjà fait pour le CO 2 (IPCC, 1997) : La production de méthane des déjections d une vache laitière de 600 kg sera : 6 kg de SV/jour x 0,16 kg de CH 4 /kg de SV x 365 jours/année x 0,39 = 136,6 kg de CH 4 /année. La production de méthane des déjections d un porc de 80 kg sera : 0,68 x 0,30 x 365 x 0,39 = 29 kg de CH 4 /année. Si nous avions considéré la production de méthane par des déjections sous forme solide, nous aurions obtenu des quantités négligeables de CH 4. ÉMISSIONS DE N 2 O Il n y a pas de production significative d oxyde nitreux (N 2 O) dans les bâtiments d élevage. Cependant, il peut y en avoir en provenance des déjections en entreposage dépendant des conditions et de la durée d entreposage. La capacité des déjections animales à produire l oxyde 5
nitreux est fonction de leur teneur en azote. Elles perdent une quantité importante d azote sous forme d ammoniac en entreposage. Dourmad et autres (1999) considèrent en effet que les pertes d azote par volatilisation sous forme d ammoniac sont d'environ 25 % dans le bâtiment et de 5 à 10 % à l extérieur, en fonction des conditions et de la durée d entreposage. Les émissions de N 2 O peuvent être importantes lorsque les déjections sont soumises alternativement à des conditions aérobies, qui favorisent la nitrification, et anaérobies, qui favorisent la dénitrification. C est le procédé de nitrification dénitrification qui peut produire de l azote gazeux mais aussi de l oxyde nitreux. Ceci se produit par exemple avec un tas de fumier pailleux ou de compost qui reçoit une bonne pluie. Le potentiel de production dépend de la composition des déjections et des quantités d oxygène disponibles. On peut donc s attendre à peu d émission de N 2 O avec l entreposage du lisier qui est en anaérobie. Par contre, lors d entreposage en tas solide soumis à des précipitations fréquentes et passant alternativement de conditions aérobies à anaérobies, il y a émission de quantités importantes de N 2 O. L IPCC (1997) propose une méthode pour estimer les quantités de N 2 O produites par les déjections sous diverses formes d entreposage. En se basant sur la méthode de calcul suivante, une vache laitière de 600 kg avec gestion liquide des déjections dans un climat froid d Amérique du Nord produit environ : 0,27 kg d azote excrété par jour, soit 98,55 kg par année x un facteur d émission sous ces conditions de 0,001 x 1,57 kg de N 2 O/kg de N = 0,155 kg de N 2 O/année. Un porc de 80 kg qui excrète 15,2 kg d azote par année produit environ : 15,2 x 1,57 x 0,001 = 0,024 kg de N 2 O/année. SOMME DES ÉMISSIONS DE GES AUX BÂTIMENTS D ÉLEVAGE Voici un tableau comparatif des émissions de gaz à effet de serre aux bâtiments d élevage pour une vache laitière de 600 kg et pour un porc de 80 kg sous gestion liquide des déjections. 6
Tableau 1 : Gaz à effet de serre produits dans les bâtiments d élevage. Vache laitière de 600 kg Porc de 80 kg (kg) (kg équivalents (kg) (kg équivalents de CO 2) de CO 2) CO 2 3 405 3 405 664 664 CH 4 255 5 355 30 630 N 2 O 0,155 48 0,024 7,5 Total d équivalents de CO 2 (tonnes) 8,8 1,3 Pour une même masse animale, le porc produirait 9,75 tonnes d équivalents de CO 2 comparativement à 8,8 tonnes pour une vache laitière. Il est important de constater l importance des émissions sous forme de CO 2 qui sont souvent négligées dans les bilans car elles proviennent principalement du CO 2 absorbé de l atmosphère par les plantes. MÉTHODES DE RÉDUCTION DES ÉMISSIONS DE GES Il y a peu de choses à faire pour réduire les émissions de CO 2 aux bâtiments, si ce n est de maintenir les animaux dans la zone de confort thermique où la production de chaleur des animaux est à son optimum. Les températures basses signifient une plus grande consommation de nourriture par les animaux, d où une plus grande production de CO 2. Il est possible de diminuer la production de CH 4 par les animaux en modifiant la consommation alimentaire. Plus l aliment est énergétique et digestible, plus grande est la production de CH 4. La production de méthane par les déjections, qui est influencée par les conditions d entreposage et surtout par la disponibilité d oxygène, est beaucoup plus importante en gestion liquide des déjections. Elle est pratiquement inexistante en gestion solide. Il faut toutefois tenir compte que le méthane des déjections pourrait être valorisé, vu son potentiel de production d énergie en donnant du CO 2 et de l eau comme sous-produits. 7
On a vu que c est l inverse pour la production de N 2 O par les déjections. La gestion liquide donne peu d émissions alors que la gestion solide en donne de façon importante. CONCLUSION Les exemples donnés dans cette conférence font ressortir l importance de la production de gaz à effet de serre sous forme de CO 2 dans les bâtiments. Les études qui ne considèrent pas la contribution de ce gaz conduisent à négliger environ la moitié de la production des gaz à effet de serre des élevages sous gestion liquide des déjections. Sous gestion solide, la proportion serait encore plus grande. La production annuelle de CO 2 d une vache laitière est semblable à la production annuelle d une voiture automobile. Les émissions de méthane des déjections sont surtout importantes avec la gestion liquide alors que celles d oxyde nitreux sont surtout importantes sous gestion solide des déjections. La valorisation du biogaz à la ferme doit être encouragée. REMERCIEMENTS Je tiens à remercier monsieur Josué Wamégni, étudiant au doctorat dirigé par le professeur Robert Lagacé, qui a effectué une revue de littérature extensive sur la production de gaz à effet de serre par les élevages. Son doctorat porte sur la modélisation des émissions de gaz à effet de serre par les élevages. RÉFÉRENCES BPR GROUPE-CONSEIL. Mars 1998. Plan directeur d interventions en vue de réduire la production de gaz à effet de serre par le secteur des productions animales Développement d un logiciel. Rapport soumis à AAC. BPR-GREPA. 2000. Le Portrait agroenvironnemental des fermes du Québec. Rapport présenté à l UPA, le MAPAQ et l IRDA. 173 pages. CIGR. 1994. Aerial environment in animal housing concentrations in and emissions from farm buildings, Working Group Report Series, n o 94.1. 116 pages. DOURMAD, J. Y. et autres. 1999. Nitrogen and phosphorous consumption, utilisation and losses in pig production, Livest. Prod. Sci. 58 : 199-211. 8
GOUVERNEMENT DU QUÉBEC, Comité interministériel sur les changements climatiques. Février 2000. Évaluation des gaz à effet de serre (GES) en agriculture et stratégie de réduction des émissions au Québec pour 2010. Rapport du Groupe de travail Agriculture. 41 pages. IPCC. 1997. Guidelines for national greenhouse gas inventories. Module 4. Agriculture, Intergovernmental Panel on Climate Change. 17 pages. McRAE, T., C.A.S. SMITH et L.J. GREGORICH (ed.) 2000. L agriculture écologique durable au Canada: rapport sur le Projet des indicateurs agroenvironnementaux. AAC, Ottawa (Ontario). O NEILL, D.H. et V.R. Phillips. 1992. A review of the control of odour nuisance from livestock buildings : Part 3, properties of the odorous substances which have been identified in livestock wastes or in the air around them. J. Agric. Eng. Res. 53 : 23-50. 9