Y a-t-il des bénéfices carbone à intégrer du biochar dans les matériaux de construction ?

Depuis que le GIEC l’a mis en avant dans son rapport de 2022 (AR 6^[1]), le biochar est considéré comme une solution de stockage du carbone. Carbone 4 a réalisé une étude pour Vicat & Soler, afin de comprendre si l’utilisation du biochar dans les matériaux de construction a un bénéfice carbone, et si oui, de le quantifier. Cet article vise à présenter la démarche suivie ainsi que les principaux résultats.

Périmètre de l'étude

Notre étude s’est focalisée sur le potentiel du biochar dans 6 matériaux de construction, dans deux scénarios prospectifs, en 2030 et en 2050 

Pour caractériser les bénéfices carbone potentiels du biochar incorporé aux matériaux de construction, nous avons étudié les émissions induites et les séquestrations de six matériaux de construction : le ciment utilisé sous forme de béton, le plâtre, le plastique, l’acier, la peinture et les colles-mastics-résines^[2]. Nous avons estimé les volumes de matériaux engagés en considérant les marchés du neuf et de la rénovation, à deux horizons, 2030 et 2050. Seuls les usages du biochar dans les matériaux de construction ont été étudiés, les autres usages n’ont pas été considérés (par exemple en tant qu’engrais, biocarbone dans l’industrie ou vecteur énergétique). Cette étude ne propose donc pas d’ordre de mérite des usages du biochar et ne compare pas les avantages du biochar dans les matériaux de construction par rapport aux autres alternatives d’usages du biochar.

Définition : Qu'est-ce que le biochar ?

Le biochar est un matériau stable, riche en carbone obtenu par la pyrolyse de biomasse (bois, résidus agricoles, déchets organiques) en absence ou en faible présence d’oxygène et qui permet de séquestrer à long terme du carbone. 

Ce procédé thermique transforme la matière organique en un charbon stable, capable de stocker du carbone pendant au moins des centaines d’années. Sans la pyrolyse, le carbone capté lors de la photosynthèse serait libéré sous forme de dioxyde de carbone ou de méthane, par décomposition naturelle ou combustion. Plusieurs procédés permettent de fabriquer du biochar, avec des quantités variables d’énergie nécessaires à la pyrolyse. Notre étude considère le biochar produit par le procédé de Soler, très efficient en énergie, qui consomme 2,4 tonnes de bois sec pour produire 1 tonne de biochar. 

La séquestration^[3]carbone est la capture et le stockage à long terme d’une quantité significative de dioxyde de carbone. En croisant différentes sources qui font référence (Net Zero Initiative^[4], GHG Protocol Land Sector, Verified Carbon Standard, Carbon Removal Certification Framework^[5]), Carbone 4 fixe à 100 ans la durée d'absorption minimale nécessaire pour considérer qu’un produit séquestre du carbone de façon permanente.

La bibliographie scientifique^[6]permet d’affirmer que la majorité du carbone contenu dans le biochar est stocké de façon permanente, soit 820 kg de carbone sur une tonne de biocharsi le biochar n’est pas dégradé en fin de vie. Nous avons donc voulu déterminer si le biochar intégré aux matériaux de construction serait détérioré avant ce seuil des 100 ans.

Seule l’incorporation du biochar dans le ciment et le plâtre permet un stockage permanent du carbone

Afin d’assurer que le stockage de carbone par le biochar est permanent, et donc que l'absorption est faite pendant au moins 100 ans, nous avons évalué la durée de vie du biochar lorsqu’il est incorporé dans les matériaux de construction. Nous avons donc étudié les durées de vie et les scénarios de fin de vie des matériaux considérés.

La durée de vie du ciment sous forme de béton retenue pour les calculs est parfois inférieure à 100 ans (notamment pour les bâtiments^[7]), mais ses fins de vie, recyclage par broyage (à 75% environ) et mise en décharge inerte, permettent un stockage du carbone dans un matériau inerte plus de 100 ans. Quant au plâtre, sa durée de vie moyenne n’est que de 50 ans, mais ses trois fins de vie possibles sont favorables au captage du CO₂ : recyclage par cuisson à une température inférieure au relargage du carbone stocké dans le biochar, mise en décharge pour déchets non dangereux et valorisation dans l’industrie cimentière par broyage. Au regard des durées de vie et fins de vie des matériaux, le carbone pourrait être stocké de façon permanente dans le ciment utilisé sous forme de béton et le plâtre.

Les durées de vie moyennes et fins de vie seules des autres matériaux ne nous permettent pas de conclure favorablement sur le fait qu’ils puissent stocker du carbone à long terme. Nous avons tout de même quantifié les potentiels carbone du biochar dans ces matériaux, et conclu que l’intégration de biochar ne semblait pas ou peu intéressante d’un point de vue des émissions carbone. Par exemple, le plastiquea une durée de vie inférieure à 100 ans. Il est donc nécessaire d’étudier ces fins de vie possibles pour déterminer si du biochar intégré au plastique pourrait être stable pendant au moins 100 ans. Or seul l’enfouissement en décharge est propice au stockage du carbone à long terme, et ce n’est pas une fin de vie à promouvoir pour le plastique. L’incinération relarguerait quant à elle le CO₂. En outre, la possibilité technique d’intégrer du biochar est non prouvée à date, et les potentiels d’émissions séquestrées et substituées calculés au cours de l’étude sont faibles dû à un volume de marché moindre comparé aux marchés du ciment ou du plâtre.

Afin d’obtenir une fourchette de résultats du potentiel carbone du biochar dans les matériaux de construction, nous avons considéré deux scénarios (potentiel haut et potentiel bas) avec deux jeux de données pour les valeurs suivantes : 

• les projections de volumes de marché ;
• les taux d’incorporation du biochar dans les matériaux^[8] ;
• les projections des taux de pénétration du matériau avec biochar sur le marché.

Les résultats dépendent aussi des hypothèses suivantes (l’ensemble des hypothèses sont disponibles en annexe) :

• le taux de carbone séquestré de façon permanente dans le biochar ;
• l’empreinte carbone des matériaux.

Avant de présenter les résultats, il est nécessaire de rappeler certaines notions relatives aux émissions induites et séquestrées et au fait d’éventuellement les sommer :

• Sommer des émissions induites et séquestrées ne rend pas compte de la différence de temporalité entre ces deux types d’émissions et du réchauffement potentiel induit à court terme dans le cas où les émissions induites sont de court terme. La Net Zero Initiative distingue ces deux types d’émissions, au sein de ces 3 piliers :
  • Pilier A – Réduction des émissions générées directement par l’organisation ;
  • Pilier B – Contribution à la décarbonation mondiale grâce à des projets permettant de réduire les émissions dans et hors de la chaîne de valeur de l’organisation ;
  • Pilier C – Augmentation des puits de carbone dans et hors de la chaîne de valeur de l’organisation.
• Dans cette étude, la temporalité des émissions induites et séquestrées n’est pas la même : les séquestrations initiales sont réalisées par photosynthèse avant le prélèvement du bois et les séquestrations additionnelles sont réalisées lors du renouvellement de la forêt. L’assurance d’avoir une séquestration additionnelle dépend de la gestion forestière : elle est possible seulement si la quantité de bois prélevé ne dépasse pas l’accroissement forestier.

En cas de réduction du puits de carbone forestier à l'échelle d'une région ou d'un pays, ou d'inversion de ce puits, les émissions de la forêt doivent être réallouées aux produits bois. Il ne s’agit alors plus de séquestrations mais d’émissions induites ! La version provisoire du Land Sector and Removals Guidance^[9] du GHG Protocol recommande de suivre les stocks de carbone au cours du temps pour reporter des émissions induites ou séquestrées selon la réalité forestière. Elle préconise de séparer les émissions induites et les séquestrations des produits.

Le potentiel de séquestration s’élève à 3 MtCO₂e/an en 2050 au prix d’une très légère augmentation des émissions induites du ciment, celle-ci étant liée au volume additionnel de liant avec biochar nécessaire pour obtenir les mêmes propriétés que le ciment sans biochar.

L'intensité carbone du ciment dépend de celles du clinker et des produits d'addition, tels que le calcaire. Lorsqu'il est intégré au ciment, le biochar peut remplacer tout ou partie du calcaire, ainsi qu'une fraction du clinker. 

• L’intensité carbone du biochar est supérieure à celle du calcaire^[10]. Ainsi, lorsque le biochar substitue uniquement du calcaire (tout ou partie), il augmente l'intensité carbone du ciment.
• En revanche, lorsqu'il remplace une part du clinker, qui lui est plus émissif, il réduit les émissions du ciment.
• Lorsque le biochar remplace à la fois le calcaire et une fraction du clinker, l'effet sur les émissions dépend du taux d'incorporation de biochar. 

La substitution du calcaire et d'une partie du clinker par le biochar peut ainsi diminuer l'intensité carbone du liant contenant du biochar par rapport à un ciment classique sans biochar.

Néanmoins, les propriétés du liant avec biochar diffèrent de celles du ciment CEM II/A. Pour maintenir des performances similaires et l’intégrer au béton, il est nécessaire d'augmenter de 10 à 15 % les volumes de liant comparé aux volumes de ciment CEM II/A nécessaires. Cette différence de volume engendre des émissions additionnelles.

Le taux d'incorporation du biochar dans le ciment est limité afin de préserver les propriétés du liant avec biochar. Le potentiel de réduction des émissions lié à la substitution du clinker ne compense pas les émissions induites additionnelles liées au volume supplémentaire de liant nécessaire pour une intégration dans le béton. Avec les recettes actuelles, l’utilisation du biochar dans le ciment induit des émissions additionnelles.

L’intégration de biochar dans le ciment permet cependant de séquestrer du CO₂, avec les résultats suivants :

Ces résultats sont calculés avec hypothèses suivantes : 

• des volumes de marché totaux français du ciment estimés entre 8,4 et 9 Mt en 2050
• une pénétration du liant avec biochar de 25% en potentiel bas et 50% en potentiel haut
• une incorporation de biochar de 10 à 25% dans le liant.

L’incorporation du biochar dans le plâtre présente un potentiel de bénéfices carbone mais la stratégie de filière ne semble pas compatible avec son intégration. Des investigations supplémentaires sont nécessaires pour conclure quant au potentiel de séquestration du biochar dans le plâtre. Pour un marché en 2050 de ~2.1 Mt de plâtre, avec un taux de pénétration de 25% d’un plâtre intégrant du biochar à 20%, nous avons estimé le potentiel à 350 ktCO₂ eq séquestrées et 17 ktCO₂ eq substituées. Cependant, l’intégration de biochar au plâtre comprend des contraintes techniques mal connues à date et va à l’encontre des objectifs de la filière^[11].

La contribution de la solution biochar dans le ciment est significative par rapport aux objectifs nationaux de séquestration, mais soulève des questions de disponibilité et d’allocation des ressources bois et biochar.

D’après cette étude, l’intégration du biochar dans le ciment contribue de façon significative à l’atteinte des objectifs nationaux de séquestration. L’intégration de biochar dans le ciment permettrait d’atteindre 23% à 51% (suivant le scénario) de l’objectif de séquestration de la filière ciment en 2050 (dans son scénario central), avec cependant des émissions induites additionnelles (+0,6-1,3% en 2050 selon le scénario) lorsque la filière a un objectif de réduction des émissions de 90%^[12]. L’intégration de biochar dans le ciment participe à hauteur de 3.1%-5.5% en 2030 (suivant le le potentiel considéré) aux objectifs de puits de carbone de la SGPE^[13], et à hauteur de 3.4%-7.4% aux objectifs de puits carbone des produits bois définis par la SNBC 2^[14] pour 2050. En tenant compte du fait que les solutions existantes et nécessaires à l’atteinte de ces objectifs nationaux sont et doivent être diverses, nous considérons l’apport de l’incorporation de biochar dans le ciment comme significative. En outre, le biochar multiplierait par 1,5 à 2 le potentiel de séquestration identifié pour la filière forêt-bois^[15], en séquestrant du CO₂ à partir de bois qui ne pourrait être intégré dans des produits bois à longue durée de vie.

Cependant, au vu des quantités de bois et de biochar requises dans les scénarios définis, il est nécessaire de prendre en compte un potentiel conflit d’usage du bois et du biochar (par exemple avec les activités de production d’aggloméré à partir des ressources de bois dégradées, ou de production d’énergie à partir de bois énergie). Les quantités de biochar nécessaires (entre 0,2 Mt en 2030 dans le potentiel bas et 1,1 Mt en 2050 dans le potentiel haut) ne sont pas disponibles aujourd’hui en Europe, mais semblent atteignables d’après les projections de croissance du marché européen^[16]. Toutefois 55 usages possibles du biochar ont été identifiés par Hans-Peter Schmidt en 2012^[17]. Pour prioriser ceux-ci, plusieurs critères peuvent être considérés, comme l'impact environnemental, la viabilité économique, l’accessibilité technologique ou les besoins locaux (par exemple en agriculture, pour la gestion des déchets, pour la dépollution). La contrainte est d’autant plus forte que le biochar est un produit destiné à un marché local (transport à limiter dû à sa faible densité). Ces conflits d’usages doivent donc s’analyser à l’échelle locale en fonction des ressources de bois disponibles.

Les quantités de bois de qualité inférieure nécessaires en 2050 pour permettre l’intégration de biochar dans le ciment (3 Mm3 à 6 Mm3 suivant le scénario) semblent accessibles compte-tenu des ressources additionnelles disponibles estimées à cet horizon de temps par Carbone 4^[18]. Toutefois, elles représentent une part conséquente de cet accroissement (40% à 80%), soit l’équivalent de 6% à 12% de la récolte actuelle annuelle nationale. A noter que ces estimations reposent sur le rendement du procédé Soler, actuellement plus performant que les autres procédés de fabrication du biochar existants. Il faut ainsi s’assurer que la production de biochar repose sur une source durable de biomasse, en particulier ne dépendant pas de pratiques participant à la déforestation.

Le SGPE a priorisé les usages de la biomasse et classé comme prioritaires les puits de carbone issus de produits bois et forêts, plaçant a priori le bois transformé en biochar et incorporé aux produits de construction parmi ces usages prioritaires. Toutefois le biochar utilise du bois énergie et du bois industrie de qualité dégradée^[19], dont l’ordre de mérite d’usage n’est pas évident. Ce bois peut par exemple participer à la décarbonation de l’industrie haute température ou des réseaux de chaleur, usages aussi classés comme prioritaires par le SGPE. Cela n'est en réalité pas incompatible avec la production de biochar, car les technologies actuelles de pyrolyse permettent de produire de la chaleur pour les réseaux de chauffage et l'industrie, en plus de contribuer à la séquestration carbone. Dans le cas du procédé Soler de production de biochar, le gaz de synthèse coproduit est utilisé pour produire de l'électricité, ce qui permet de trouver une valorisation supplémentaire à l’utilisation du biochar en tant que tel.

Conclusion 

Parmi les 6 matériaux, nous avons identifié un potentiel de séquestration prometteur uniquement pour le ciment utilisé sous forme de béton, qui soulève néanmoins des questions d’allocation des ressources bois et biochar

Nous avons ainsi quantifiédes bénéfices carbone positifs pour l’intégration de biochar dans le ciment, mais n’avons pas conclu positivement pour les autres matériaux de construction considérés. Le potentiel de séquestration identifié dans le ciment est significatif, avec 3 MtCO₂e séquestrées dans le scénario potentiel haut en 2050. L’intégration de biochar entraînerait néanmoins des émissions induites, qui restent faibles par rapport au potentiel de séquestration. La séquestration repose sur des volumes de bois et de biochar qui semblent atteignables mais qui nécessitent d’être tracés afin d’éviter le développement de pratiques agricoles ou de procédés industriels qui entraîneraient des émissions de gaz à effet de serre supplémentaires. L’allocation des ressources bois et biochar sera également à clarifier avec des ordres de mérites, afin d’éviter les compétitions d’usages.

En outre, la mise en place d’une solution de séquestration reste tributaire de sa valorisation au sein du marché du carbone volontaire. Des dispositifs de valorisation des séquestrations de carbone existent, avec notamment des cadres de certification volontaire comme le Label Bas Carbone en France ou le Carbon Removal Certification Framework en Europe, mais ceux-ci ne spécifient pas aujourd'hui le cas du biochar. 

ANNEXE

Cette étude et cet article ont été financé.es par Vicat.