Le prix de l'abondance : les émissions de gaz à effet de serre des engrais s'additionnent

Jun 08, 2023

Un complexe de tours industrielles s'élève du paysage plat au bord d'une autoroute ici, ses cheminées et ses tuyaux serpentant les uns autour des autres. Des travailleurs portant des gilets jaunes fluo et des casques de protection naviguent dans le labyrinthe dans des camionnettes tandis qu'un bourdonnement industriel recouvre la zone. Des nuages ​​manufacturés flottent au-dessus du fleuve Mississippi à proximité, où des barges et des navires transportent des marchandises en amont et en aval.

Il s'agit du complexe Donaldsonville de CF Industries, la plus grande installation de production d'ammoniac au monde. L'usine d'engrais azotés de 1 400 acres fait partie d'une industrie mondiale tentaculaire qui est responsable d'une part importante des émissions de gaz à effet de serre dans le monde. Selon une étude de 2022 publiée dans Scientific Reports, la chaîne d'approvisionnement des engrais azotés synthétiques est responsable de 2,1 % des émissions mondiales de gaz piégeant la chaleur, soit plus que les émissions de l'ensemble de l'aviation.

L'usine de Donaldsonville est à elle seule la plus grande source d'émissions industrielles de gaz à effet de serre en Louisiane. Mais l'empreinte carbone des engrais azotés ne s'arrête pas à l'usine ; des gaz qui réchauffent la planète apparaissent tout au long du cycle de vie de l'engrais.

Selon l'étude, seulement 41 % environ des émissions proviennent du processus de fabrication et d'expédition d'engrais à partir d'installations industrielles comme celle-ci. La majorité provient des émissions générées par les champs agricoles après l'épandage de l'engrais.

La racine du problème : Certains agriculteurs appliquent plus d'engrais que ce qui est nécessaire pour une croissance optimale des plantes. "Les plantes ne prennent pas l'azote supplémentaire", a déclaré Alicia Ledo, scientifique indépendante et co-auteur de l'étude Scientific Reports. "Cela monte simplement dans l'atmosphère, ce qui est un gaspillage."

Le voyage de l'engrais azoté - et sa libération de puissants gaz piégeant la chaleur - est long et affecte le climat en cours de route.

La découverte d'un procédé de fabrication d'engrais synthétiques au début du 20e siècle a révolutionné l'agriculture, permettant de grands sauts de productivité. Le procédé Haber-Bosch, toujours utilisé aujourd'hui, extrait l'azote de l'air et le combine avec l'hydrogène d'un combustible fossile - généralement du gaz naturel, également appelé méthane - pour produire de l'ammoniac. Le processus émet deux principaux gaz à effet de serre : le méthane et le dioxyde de carbone.

L'ammoniac est une matière première dans la production d'engrais à base d'azote comme l'urée. C'est également le deuxième produit chimique le plus produit au monde, représentant 2% de la consommation mondiale d'énergie fossile. En conséquence, le produit chimique génère 450 millions de tonnes de dioxyde de carbone par an et génère plus d'émissions que la fabrication d'acier et de ciment.

En 2019, le complexe Donaldsonville de CF Industries a signalé plus de 10 millions de tonnes métriques d'émissions de dioxyde de carbone, soit l'équivalent des émissions annuelles de 2,7 centrales électriques au charbon.

Le processus de fabrication libère également du méthane, un gaz plus de 25 fois plus puissant que le dioxyde de carbone qui dure moins longtemps dans l'atmosphère. Une étude de l'Université Cornell et de l'Environmental Defense Fund a révélé que les émissions de méthane de six usines d'ammoniac d'engrais représentatives étaient 100 fois plus élevées que les estimations autodéclarées de l'industrie des engrais.

Après la production, les engrais sont expédiés via des pipelines, des barges, des navires, des trains et des camions. Le transport représente 2,6 % des émissions totales d'engrais, selon l'étude.

Ensuite, c'est aux distributeurs et finalement, aux agriculteurs et à leurs champs. Chaque année, 6 millions de tonnes d'engrais azotés sont appliqués sur le maïs à travers les États-Unis.

Aux États-Unis, on estime que 72 millions de tonnes d'émissions d'équivalent dioxyde de carbone proviennent de l'azote appliqué sur les champs des agriculteurs.

Tout tourne autour du cycle de l'azote, une série de processus par lesquels l'azote et ses composés sont rendus accessibles aux plantes et autres organismes vivants. L'air que nous respirons est plein d'azote, mais les plantes ont besoin de convertir le gaz en une forme utilisable. Les bactéries et autres organismes aident à le décomposer.

Certaines cultures sont bonnes pour fixer l'azote, comme les légumineuses, les haricots et les pois. Mais les cultures gourmandes en azote telles que le maïs, les tomates et les melons ne peuvent souvent pas satisfaire leurs besoins en azote sans aide supplémentaire.

L'engrais synthétique ajoute une dose d'azote pur au sol, mais la totalité n'est pas utilisée par les plantes. Une partie est perdue dans l'air lors de l'application, et une partie est perdue lorsque les microbes fixent l'azote dans le sol et le libèrent ensuite à nouveau dans l'atmosphère. Les engrais bousculent les activités microbiennes naturelles du sol pour produire plus d'oxyde nitreux, un gaz 265 fois plus puissant que le dioxyde de carbone. Ce gaz consomme la couche d'ozone, qui protège la terre des rayons ultraviolets du soleil.

Les émissions d'oxyde nitreux sont produites "dans une certaine mesure chaque fois que l'azote est disponible dans le sol", a déclaré Rod Venterea, pédologue à l'USDA et professeur adjoint à l'Université du Minnesota. "Cela dure depuis des milliers d'années. Maintenant, nous avons la possibilité d'ajouter de plus grandes quantités d'azote au sol, ce qui stimule les processus naturels et crée des points chauds de production bien au-delà de ce qui est produit naturellement."

L'engrais supplémentaire peut également laver les champs et les eaux souterraines et les rivières, envoyant de l'azote, du phosphore et d'autres nutriments en aval.

Des niveaux élevés de nutriments provoquent la croissance d'algues dans les plans d'eau, créant à leur tour davantage d'émissions d'oxyde nitreux, de dioxyde de carbone et de méthane. Ce processus est appelé eutrophisation.

Une étude de 2018 a estimé que les émissions dues à l'eutrophisation dans les lacs et les retenues sont égales à environ 20 % des émissions mondiales de dioxyde de carbone provenant des combustibles fossiles. Les émissions mondiales de méthane résultant de l'eutrophisation des lacs du monde devraient augmenter de 30 à 90 % au cours du siècle prochain en raison du changement climatique et de la croissance démographique.

Jessica D'Ambrosio, directrice du projet agricole de l'Ohio à Nature Conservancy, s'efforce de réduire la pollution par les nutriments dans le lac Érié, qui a souffert d'une importante prolifération d'algues causée en partie par le ruissellement des engrais. Environ 80% des terres qui se déversent dans le lac sont agricoles.

"Si vous réduisez la quantité d'engrais azotés que vous utilisez, vous contribuez à réduire la prolifération d'algues et les émissions de gaz à effet de serre", a déclaré D'Ambrosio. "Si vos sols sont sains et qu'ils retiennent les nutriments, cela fait les deux choses pour vous et votre bassin versant."

Compte tenu de l'énorme empreinte de gaz à effet de serre des engrais, les producteurs et les utilisateurs sont confrontés à une pression croissante pour changer.

Plus tôt cette année, André Cabrera Serrenho, professeur adjoint d'ingénierie à l'Université de Cambridge, a co-écrit une étude dans Nature Food qui a révélé que les émissions des engrais pourraient être réduites de 80 % d'ici 2050 en utilisant les technologies actuellement disponibles.

L'étude de Serrenho a estimé qu'environ un tiers des émissions d'engrais pourraient être réduites en décarbonant le processus de production. L'énergie renouvelable peut être utilisée pour le chauffage et la création de l'hydrogène utilisé pour fabriquer de l'ammoniac. Ce procédé est parfois appelé production « d'hydrogène vert ». Une autre option consiste à utiliser ce que l'on appelle «l'ammoniac bleu», qui dépend toujours des combustibles fossiles mais capture et stocke le dioxyde de carbone résultant, l'injectant parfois sous terre pour aider à récupérer le pétrole et le gaz.

L'industrie des engrais s'est accrochée aux deux technologies. Par exemple, l'usine de CF Industries à Donaldsonville a démarré fin 2021 la construction d'un système d'électrolyse qui devrait produire 20 000 tonnes d'ammoniac vert par an, soit un quart de 1 % de sa production totale. La société s'est également associée à ExxonMobil sur un projet visant à capturer et à séquestrer environ 20 % du CO2 produit dans son complexe de Donaldsonville, et l'année dernière, la société a annoncé qu'elle évaluait un site dans la paroisse d'Ascension pour la construction d'un nouveau projet d'exportation de 2 milliards de dollars. installation de production d'ammoniac bleu orienté.

The Mosaic Co., une autre grande entreprise d'engrais, s'efforce d'atteindre des émissions nettes nulles d'ici 2030 en Floride, où elle a son siège social, et dans l'ensemble de ses opérations d'ici 2040. Mosaic ne recherche pas l'ammoniac vert pour le moment en raison du coût élevé et est explorer la capture du carbone, a déclaré la porte-parole Natali Archibee.

Les technologies de capture du carbone ont suscité la controverse de la part des résidents qui ne veulent pas plus d'installations industrielles dans leur arrière-cour, et des critiques qui disent que cela ne fait que maintenir la dépendance aux combustibles fossiles.

Un rapport de 2022 du Centre pour le droit international de l'environnement a qualifié la technologie de capture du carbone de "fausse solution" qui tente de blanchir les émissions de l'industrie des engrais grâce à des produits "écolavés". "L'énergie nécessaire pour produire de l'hydrogène bleu le rend aussi mauvais, sinon pire, que de simplement brûler du gaz directement", a déclaré Carroll Muffett, président et chef de la direction de CIEL.

Serrenho a déclaré qu'une production plus verte n'est qu'une partie de la solution car la plupart des émissions proviennent du sol. "Même si l'industrie pétrochimique est incroyable pour décarboner ses propres productions, cela ne réduit qu'un tiers des émissions totales", a-t-il déclaré. "Les deux autres tiers doivent être abordés."

Les émissions d'oxyde nitreux des bactéries dans le sol peuvent être réduites en ajoutant des produits chimiques appelés inhibiteurs de nitrification, selon son étude. Le passage à des engrais à faibles émissions serait également utile.

Cependant, le changement le plus important consiste à réduire la quantité d'engrais utilisée. Moins de la moitié des engrais appliqués dans le monde sont absorbés par les plantes. Les agriculteurs pourraient utiliser beaucoup moins sans réduire le rendement. "Juste en faisant cela, nous pouvons économiser la moitié des émissions associées aux engrais et autres impacts environnementaux", a déclaré Serrenho.

Le rapport CIEL a appelé à une transition des modèles agricoles industriels et des engrais synthétiques vers des modèles plus régénératifs qui rendraient la nourriture plus durable à produire tout en protégeant la biodiversité.

"Amorcer cette transition des engrais fossiles vers des solutions alimentaires plus durables n'est pas seulement un élément essentiel de la réponse à la crise climatique, mais nous ramène également dans nos limites planétaires qui garantissent la sécurité de la Terre", a déclaré Muffett.

Cette histoire fait partie de The Price of Plenty, un projet spécial d'enquête sur les engrais du Collège de journalisme et de communication de l'Université de Floride et de l'École de journalisme de l'Université du Missouri, soutenu par l'initiative nationale de reportage Connected Coastlines du Pulitzer Center.