Stockage du carbone biogénique dans les matériaux biosourcés

Avis d’expert

rédigé par Marion CHIRAT et Martin CASALIS

Décembre 2024

Temps de lecture : 10 minutes

Dans cet avis d’expert :

  • 1. Le carbone biogénique, qu’est-ce que c’est ?

  • 2. Comment évaluer la quantité de carbone biogénique stockée par les plantes ?

  • 3. Quels liens avec les labels “Produit biosourcé” et “Bâtiment biosourcé” ?

  • 4. Comment le changement de norme impacte la prise en compte du stockage du carbone biogénique dans les FDES ?

  • 5. La preuve par l’exemple

  • 6. RE2020 et calcul dynamique

  1. Le carbone biogénique, qu’est-ce que c’est ?

Le carbone biogénique est le carbone constitutif des plantes. Le CO2 est absorbé par les végétaux lors de leur développement et est transformé en polymères naturels constitués de chaines carbonées (cellulose, hémicellulose, lignine…), c’est la réaction de photosynthèse. Le carbone ( C ) est donc stocké dans la matière tandis que le dioxygène ( O2 ) est relargué dans l’atmosphère.

On peut considérer que ce carbone constitutif du végétal continuera à être stocké une fois la matière première transformée en produit de construction à la condition que les stocks des matières premières soient renouvelés. Pour les ressources issues de cultures annuelles (chanvre ou paille par exemple) c’est le cas. Pour le bois, la norme EN 16760 précise que :

« Les pratiques de gestion durable des forêts garantissent la stabilité des stocks de carbone des forêts, voire leur augmentation au fil du temps. Lors de la modélisation des systèmes forestiers au niveau des domaines, la teneur en carbone biosourcé des bois récoltés doit être considérée comme une propriété inhérente au matériau, résultant de l’absorption et du stockage du CO2 de l’atmosphère. Il convient de modéliser une unité de gestion des forêts gérée en rendement constant dans le temps sous la forme d’un processus élémentaire stable avec des émissions de carbone équivalentes aux séquestrations. En cas de modélisation au niveau des peuplements forestiers, il convient d’intégrer les intervalles de temps entre les émissions et la séquestration de carbone biosourcé au fil du temps. Les frontières et les hypothèses spatiales et temporelles sont importantes pour modéliser la séquestration du carbone et il convient de les définir et de les documenter de façon transparente. » (NF EN 16760, décembre 2015, p.21)

Dans ces conditions, il est possible de prendre en compte le carbone biogénique lors de la réalisation d’analyse de cycle de vie.

En réalité, lorsque que l’on dit qu’une plante stocke du CO2 on fait un raccourci. On devrait plutôt dire que la plante stocke du carbone qu’elle a capté dans l’atmosphère sous forme de CO2 lors de sa croissance.

Ce CO2, utilisé pour le développement de la plante et transformé en matière, n’a plus d’impact sur le climat.

2. Comment évaluer la quantité de carbone biogénique stockée par les plantes ?

D’après l’équation chimique de la photosynthèse, afin de séquestrer 1 mole (quantité fixe d’atomes) de carbone, il faudra que la plante utilise 1 mole de CO2. Le carbone et le dioxyde de carbone n’ont pas la même masse molaire (M(CO2) et M(C)). Il est donc nécessaire de prendre cette différence en compte dans les calculs.

Au final, la masse de carbone présente dans l’espèce végétale est donc ce qui va déterminer la masse de dioxyde de carbone séquestrée. Afin de connaître la masse de carbone, on peut utiliser la masse de matière sèche totale, msèche, ainsi que la teneur en carbone dans cette matière sèche, en pourcentage, Pc. Avec ces éléments, la masse de CO2 utilisé par la plante s’exprime ainsi :

m(CO2) = Pc / 100 * M(CO2) / M(C) * msèche 

Cependant, les espèces végétales utilisées comme matière première auront toujours un taux d’humidité, H, exprimé en %.Il faut donc exprimer la masse sèche en fonction de la masse humide, mhumide. Pour terminer, on a donc la formule finale :

m(CO2) = [ Pc / 100 * M(CO2) / M(C) ] x [ mhumide / (1 + H/100) ]

La teneur en carbone Pc de la matière sèche peut être obtenue :

-        directement via des tests de teneur en carbone ;

-        en calculant la teneur en carbone des différents composés de l’espèce végétale.

Pour calculer la teneur en carbone via les différents composés de l’espèce végétale, il faut connaitre la composition de l’espèce végétale. La moyenne pondérée des teneurs en carbone des différents composés (cellulose, hémicellulose, pectine et lignine) donne une teneur en carbone totale Pc.

Pour le bois :

1 tonne de bois sec contient 500 kg de carbone, quelle que soit l’essence (source : G. DEROUBAIX et al. – Cycles de vie des produits à base de bois et séquestration du carbone (FCBA), 2012)

Soit 1 kg de bois sec = 0,5 kg de carbone.

Pour les autres biosourcés :

1 tonne de matière sèche contient en moyenne 466 kg de carbone (basé sur l’étude de 34 espèces végétales ayant ou non des applications dans la construction)

Soit 1 kg de matière sèche = 0,466 kg de carbone.

La formule de calcul ci avant est appliquée pour obtenir la quantité de CO2 extraite de l’atmosphère pour 1 kg de matière : 

3. Quels liens avec les labels “Produit biosourcé” et “Bâtiment biosourcé” ?

Le label « Produit Biosourcé » apporte une garantie sur la teneur en matière première biosourcé dans les produits de construction avec un affichage en % massique.

Par exemple pour le Biofib Chanvre, on trouve les informations suivantes :

Ainsi pour un panneau d’1 m² d’épaisseur 10 cm on peut calculer :

  • Le poids du panneau : 40 [kg/m3] * 1 [m²] * 0,1 [m] = 4 kg

  • La masse de matières premières biosourcées dans le panneau : 4 [kg] * 86 [%] = 3,44 kg

Puis avec les données du tableau ci-avant :

  • Le stockage du carbone biogénique en kg Carbone : 3,44 [kg]*46,58 [%] = 1,6 kg C

L’équivalent extrait de l’atmosphère  en kg de CO2 en considérant un taux d’humidité à 10 % : 3,44 [kg]*1,55 [kg eq CO2] = 5,332 kg CO2

Dans la nouvelle version du label « Bâtiment Biosourcé », les seuils sont exprimés en kg Carbone/m² surface de référence.

Ainsi avec les informations disponibles sur les FDES (stock C directement) ou via les fiches produits (notamment sur le site du label Produit biosourcé) on peut estimer le stockage du carbone biogénique dans un produit afin d’estimer le niveau atteint.

A noter : le stock C d’une FDES est une donnée déclarative, contrairement à la quantité de carbone biogénique donnée par le label Produit biosourcé qui est garantie par une tierce partie.

4. Comment le changement de norme impacte la prise en compte du stockage du carbone biogénique dans les FDES ?

Le carbone biogénique dans un produit de construction peut être considéré comme une émission de carbone négative dans les modules A1-A3 et comme une émission de carbone positive en fin de vie lorsque le carbone biogénique est émis ou transféré au cycle de vie suivant du produit.

Ainsi l’EN 15804+A2 apporte un peu de clarté en permettant d’afficher la déclaration sur l’indicateur stockage du carbone biogénique (en kg C) pour la fraction relative au produit principal et pour la fraction relative aux produits complémentaires et emballages.

Les flux en kg eq CO2 doivent être inclus dans la déclaration aux différentes étapes du cycle de vie. L’indicateur « Réchauffement climatique » devenu « Réchauffement climatique total » se scinde en 3 sous-indicateurs pour différencier ce qui est lié aux émissions fossiles lors des différentes étapes de transformation du produit, du stockage/déstockage du carbone biogénique par les matières premières biosourcées (voir ci-après) :

Par ailleurs, la norme introduit un changement important concernant la prise en compte du carbone biogénique en écrivant :

« La dégradation de la teneur en carbone biogénique d’un produit dans un site d’élimination de déchets solides, déclarée comme PRG-biogénique, doit être calculée sans limite de temps. Tout carbone biogénique résiduel est traité comme une émission de CO2 biogénique de la technosphère dans la nature » (Extrait de la norme EN 15804+A2, p.33).

Pour bien comprendre cette phrase, il faut au préalable expliquer le phénomène de biodégradation. En effet la décomposition des matières premières biosourcées s’effectue selon plusieurs étapes :

  • Décomposition de la matière/ altérations physiques : la matière se décompose en morceaux de plus en plus petits par une exposition aux éléments environnementaux (facteurs physiques tel que vent, soleil, pluie et cycles de gel-dégel) mais aussi par des premiers facteurs biologiques  (organismes vivants : vers de terre, insectes xylophages, champignons)

  • Dégradation et assimilation progressive par les micro-organismes (bactéries et moisissures) une fois suffisamment dégradée

  • Décomposition finale et bio-assimilation : la matière est décomposée en gaz (notamment CO2 et/ou CH4) , eau, matière organique riche en carbone (humus)

La durée de biodégradation dépend de la composition et des dimensions de la matière mais aussi des conditions environnementales comme : la quantité et la diversité des micro-organismes, l’humidité, la température et la présence d’oxygène.

La réémission de CO2 et/ou de méthane (CH4) dépend des conditions de dégradations :

  • En condition aérobie (présence d’oxygène) les composants organiques de la matière (cellulose, hémicellulose et lignine) seront décomposés en CO2 et en eau.

  • En condition anaérobie (absence d’oxygène) (exemple : marécage ou décharge ) les bactéries décomposent principalement la matière en méthane (CH4).

En moyenne 60 à 80% du carbone présent dans la matière organique sera réémis sous forme de gaz (principalement CO2 ou CH4 selon les conditions de dégradation ) et 20 à 40% du carbone sera retenu dans le sol . Les pratiques environnementales et les conditions locales influencent significativement cette répartition.

Pour simplifier le calcul au niveau de l’analyse de cycle de vie, la norme EN 15804+A2 nous propose donc une simplification. Lors d’une mise en décharge d’un produit biosourcé en fin de vie, le carbone initialement stocké dans le produit sera considéré réémis sous forme de CO2 sans limite de temps c’est-à-dire 100 % du CO2 réémis en fin de vie.

L’ancienne norme prenait en compte une dégradation de la matière sur 100 ans et donc un relargage partiel de CO2 en fin de vie :

L’évolution de la norme a aussi pour objectif de favoriser la déclaration du module D et donc le calcul de scénario de fin de vie comprenant du recyclage, de la réutilisation ou encore de la valorisation énergétique.

Toutefois, il faut bien comprendre avec les exemples ci-dessus qu’en cas de recyclage ou de réemploi, la FDES affichera toujours un déstockage total du CO2 en fin de vie (application de la méthode des stocks pour pouvoir considérer le stock de CO2 dans le nouveau cycle de vie). Or dans ce cas-là le déstockage est ben complétement fictif.

Schéma simplifié d’un inventaire produit pour un produit biosourcé

Source : Présentation CEREMA du 20 mai 2021 : « ACV dynamique, comprendre les FDES et les opportunités pour améliorer la qualité environnementale des projets »

5. La preuve par l’exemple

Dans cet avis d’expert, le changement de norme a été étudié sur un panneau isolant thermique à base de fibres biosourcées (85%) et de fibres de polyester (15%). Le fabricant a réalisé en septembre 2022 une FDES selon la NF EN 15804+A1 et en décembre 2023 une selon NF EN 15804+A2 pour le même produit.

Les deux unités fonctionnelles comprennent ces éléments en commun :

  • Une surface d’1 m² ;

  • La fonction d’isolation thermique ;

  • Une résistance thermique de 2,5 m².K/W ;

  • Une durée de vie de 50 ans.

Si l’on vient étudier l’indicateur « Changement climatique – total (kg CO2 eq.) », une des principales différences entre les deux normes est le résultat en fin de vie. Celle-ci provient notamment de la manière de prendre en compte le stockage/déstockage du carbone biogénique entre les 2 normes :

On voit qu’avec les nouvelles exigences de la norme sur la fin de vie les résultats de l’ACV produit sur son cycle de vie sont multipliés par 2,7 pour l’isolant biosourcé. En effet plus le produit a un fort contenu en carbone biogénique, plus l’impact du changement de norme est important avec la notion de « neutralité carbone » et donc le relargage total du carbone biogénique en fin de vie.

Le biais de cette approche, c’est qu’elle ne prend pas en compte la notion d’évolution dans le temps et donne l’impression que tout le carbone constitutif des matériaux va être transformé en GES dès que l’on déconstruit notre bâtiment. Dans la réalité ça va se produire partiellement sur un temps long.

Cette approche « masque » l’intérêt du point de vue du réchauffement climatique, d’utiliser des matériaux biosourcés dans le bâtiment. Il est alors intéressant d’expliquer l’analyse de cycle de vie dynamique telle qu’elle est calculée lors d’une ACV bâtiment car cette approche tient compte du temps et du « relargage » progressif des GES.

6. RE2020 et calcul dynamique

Les moteurs de calculs de la RE2020 appliquent la méthode de l’ACV dynamique lors des calculs à l’échelle bâtiment.

L’ACV dynamique ne porte que sur le calcul de l’indicateur réchauffement climatique. Elle permet de considérer qu’un GES émis aujourd’hui n’a pas le même impact sur le réchauffement climatique qu’un GES émis dans 25, 50 ou 100 ans. Elle tient donc compte de l’urgence de l’enjeu réchauffement climatique mais aussi de l’incertitude des scénarios de fin de vie.

Il s’agit avec cette méthode de traduire de manière simplifiée les phénomènes en jeu lors l’émission d’un gaz à effet de serre dans l’atmosphère. Ainsi deux paramètres distinguent un gaz à effet de serre d’un autre[3] :

  • son efficacité radiative instantanée : ‘aGES’ qui correspond au forçage radiatif, c’est-à-dire la puissance de chauffage supplémentaire à la surface terrestre créée par une augmentation d’un kg du GES considéré dans l’atmosphère [W.m-2.kg-1]. Elle dépend à la fois de l’absorptivité du gaz (sa capacité à absorber les ondes de chaleur et à les réémettre vers la surface terrestre) et de sa concentration dans l’atmosphère.

  • sa cinétique de dissolution : caractérisée par l’évolution de la fraction massique atmosphérique résiduelle C à un instant t, suivant une émission de gaz au temps zéro (impulsion). En effet, chaque gaz émis dans l’atmosphère va interagir avec l’ensemble de l’écosystème planétaire (arbres, plantes annuelles, sols, océans, glaces, atmosphère) et se dissoudre, totalement ou partiellement, avec une cinétique qui lui est propre.

    Certains gaz ont une vitesse de dissolution très élevée (le méthane par exemple) tandis par exemple que le CO2 émis ne se dissout jamais totalement. Il est à noter que ces cinétiques dépendent de la nature du gaz, mais aussi de l’état d’équilibre de l’écosystème terrestre. C’est pourquoi le GIEC révise régulièrement les lois cinétiques et les valeurs de forçage radiatif de l’ensemble des GES connus.

Ce que l’on appelle « potentiel de réchauffement global » (PRG) est le paramètre conventionnellement utilisé pour l’impact de réchauffement climatique dans les démarches d’analyse de cycle de vie. C’est un paramètre qui exprime la valeur de forçage radiatif cumulé dû à l’émission d’une unité de masse de GES au temps zéro, pour un horizon de temps donné, HT.

Avec l’introduction de la notion d’ACV dynamique pour la réalisation de l’ACV de bâtiment, des coefficients de pondération identiques pour tous les matériaux ont été développés (seuls les fluides frigorigènes ont leur propre coefficient). Ils permettent d’estimer une cinétique de dégradation moyenne des gaz à effet de serre.  Ils sont adaptés pour pouvoir faire une ACV dynamique de bâtiment avec des ACV statiques de produit. A toutes les étapes du cycle de vie : production, construction, utilisation et fin de vie, on applique aux résultats d’impacts sur l’indicateur « Réchauffement climatique » ces coefficients qui sont fonction de l’année d’émission.

Les coefficients sont donnés pour une période de 50 ans qui est la période d’étude de référence (PER) pour l’ACV bâtiment dans le cadre de la RE2020.

Source : Karibati

Exemple de calcul en dynamique pour le panneau isolant de l’exemple ci-dessus

Thibaut Lecompte (Matériaux biosourcés pour le bâtiment : notions d’équilibres et indicateurs de réchauffement climatique. Univ. Bretagne-Sud,) a ainsi mis en avant dans sa thèse l’importance d’étudier l’influence des émissions de gaz à effet de serre année par année pour mieux rendre compte du potentiel de puits de carbone amené par les matériaux biosourcés.

Comparaison d’une paroi conventionnelle (béton+ isolant minéral + plaque de plâtre) à une paroi biosourcée (ossature bois+ isolation en paille) :

Pour la paroi conventionnelle :  le bilan GES en début de vie correspond à une émission globale conséquente, qui reste quasiment constante au cours du temps, du fait des travaux de remplacement des peintures, des enduits et de l’isolation.

Pour la paroi biosourcée : le bilan global correspond à une séquestration, jusqu’à la fin de vie du bâtiment. Ceci fait que sur les 75 années de vie du bâtiment, cette solution accumule un « crédit climatique » : tout le carbone stocké dans le bâtiment n’est pas dans l’atmosphère, et limite le réchauffement global.

Lorsqu’il s’agit des biosourcés, le calcul « statique » est pénalisant, puisqu’il ne tient pas compte du fait que le carbone est stocké en début de vie. Il faudra attendre 1 000 ans avant que le PRG cumulatif devienne positif, donc « débiteur » vis-à-vis du réchauffement climatique.

On peut, de plus, considérer que la solution biosourcée va se substituer à la solution conventionnelle. Dans ce cas, c’est la différence des impacts qu’il faut prendre en compte (voir schéma ci-contre).

Le stockage de carbone des solutions biosourcée, associé à un bilan carbone anthropique plus faible que pour la solution conventionnelle, conduit à un gain définitif en termes de réchauffement global.

Prendre en compte le stockage temporaire, et la fin de vie réelle des matériaux en calcul dynamique permet donc de démontrer l’intérêt de favoriser l’utilisation des matériaux biosourcés dans le bâtiment.

Conclusion

L’extraction du CO2 de l’atmosphère par les plantes et sa transformation en matière est une réalité physique incontestable. Intégrer des matériaux biosourcés dans des objets à durée de vie longue, comme le sont les bâtiments, revient donc bien à « stocker » du CO2. Ce CO2 n’a donc plus d’effet sur le dérèglement climatique, de façon certaine, jusqu’à la démolition du bâtiment. Ce qui se passe ensuite (après 50, voire même 100 ans) va dépendre de « la fin de vie » et des scénarios que l’on aura retenus. On notera d’ailleurs que pour toutes les filières (biosourcées ou non), les scénarios de fin de vie retenus restent très hypothétiques. En effet, qui peut assurer qu’un scénario qui fonctionne aujourd’hui fonctionnera encore dans 50 ans compte tenu des nombreuses évolutions de l’environnement notamment économique (évolution de la disponibilité des ressources fossiles par exemple). Par exemple, un process de recyclage aujourd’hui en place, sera-t’il toujours économiquement viable dans 50 ans ? Aucune garantie n’est demandée sur le sujet lors de la réalisation d’une FDES. A l’inverse pourquoi est-ce plus simple d’estimer qu’un scénario de fin de vie qui n’existe pas aujourd’hui n’existerait pas dans 50 ans ?

Mais revenons au C carbone biogénique et son devenir en fin de vie (fin de vie qui doit être traitée, concernant le carbone biogénique jusqu’à un temps infini). Ce dernier, en fonction de la fin de vie, va peut-être, être réémis sous forme de GES, mais pas immédiatement à 50 ans après la déconstruction, comme le laisse penser les méthodes d’ACV « statique » mais progressivement. C’est cette progressivité des émissions qui devraient être traduites dans les FDES pour mieux représenter la réalité.

#Bibliographie

Normes :

AFNOR, Norme NF EN 15804+A2, Contribution des ouvrages de construction au développement durable – Déclarations environnementales sur les produits – Règles régissant les catégories de produits de construction, Octobre 2019 ;

AFNOR, Norme NF EN 16760, Produits biosourcés – Analyse du cycle de vie, Décembre 2015 ;

Articles scientifiques :

Matériaux biosourcés pour le bâtiment : notions d’équilibres et indicateurs de réchauffement climatique. Thibaut LECOMPTE, Univ. Bretagne-Sud, UMR CNRS 6027, IRDL, Lorient, France

#Mots-clés

label bâtiment biosourcé, matériaux biosourcés, carbone biogénique stocké, bas-carbone, construire autrement