Analyse sur le cycle de vie et la circularité des systèmes de production agricole urbaine en serre : évaluation de 13 stratégies de circularité

L’économie circulaire est un moyen prometteur pour la réduction de l’impact environnemental des activités humaines et l’atteinte des objectifs de développement durable. De même, le développement de l’agriculture urbaine (AU) est mis de l’avant comme un moyen d’accroître l’autonomie des villes et de réduire leur impact environnemental. Cependant, la production agricole urbaine a, elle aussi, un impact environnemental qui doit être réduit pour atteindre cet objectif. C’est pourquoi diverses stratégies circulaires sont développées. Toutefois, leur efficacité sur la réduction de l’impact environnemental de la production agricole urbaine n’est pas encore bien évaluée.

Afin de déterminer la performance environnementale de la mise en œuvre des stratégies circulaires, Martí Rufí-Salís et ses collègues ont analysé l’impact de l’application de treize stratégies circulaires dans le contexte d’une serre sur toit en climat méditerranéen cultivant des tomates.

Les paramètres qui ont été pris en compte dans le cadre de l’étude ont été la faisabilité, la circularité et la performance environnementale de chaque stratégie. Pour ce faire, l’équipe a entre autres utilisé l’évaluation du cycle de vie (ECV) et l’indicateur de circularité matérielle (ICM).

À l’aide de ces deux outils, il semble que les meilleures stratégies à appliquer en AU seraient l’usage de matériaux recyclés, la fertilisation à base de struvite et la recirculation des nutriments. On peut souligner que les auteurs, non pas inclus l’utilisation d’un fertilisant organique produit à partir de matière organique, un développement récent au niveau de la production hydroponique (bioponie).

Impacts de l’AU et stratégies circulaires

L’un des principaux facteurs créant un impact environnemental de l’AU est l’apport de fertilisants transporté sur de grandes distances. De plus, une partie de ces nutriments est perdue lors de la production ou après la consommation. Des stratégies de récupération et de réutilisation des nutriments permettraient de passer d’un modèle linéaire à un modèle circulaire. Toutefois, ce ne sont pas toutes les stratégies circulaires qui apportent une amélioration de l’impact environnemental de l’AU.

Analyse ECV et ICM

L’étude réalisée par Martí Rufí-Salís et ses collègues a été divisé en deux segments d’analyse, soit les infrastructures et les opérations. Leur analyse prend en compte l’ensemble des procédés impliqués, de l’extraction des matières premières à la fin de vie, pour tous les éléments nécessaires à la production. En ce qui concerne les infrastructures, cela inclut les impacts de la production, du transport, de l’installation, de l’usage et de la gestion des déchets en fin de vie pour la serre sur toit, le système de récupération des eaux de pluie et les équipements auxiliaires. Le segment des opérations est constitué des sacs de substrat, de l’énergie consommée par le système, des fertilisants, des pesticides et de l’eau.

Après avoir évalué un scénario de base linéaire, 13 stratégies circulaires diverses y ont été comparées à ce scénario afin de déterminer leur impact sur la circularité et la performance environnementale du système de culture. Les stratégies évaluées sont les suivantes :

• BS – scénario de base : substrat de perlite, fertilisants standards et rejet des eaux usées dans l’environnement, 89 % d’irrigation par eau de pluie
• S1 – fertilisant struvite, source municipale (38km)
• S2 – fertilisant struvite, source nationale (607km)
• S3 – substrat amendé en compost de source interne au bâtiment
• S4 – substrat de compost, source municipale
• S5 – irrigation par eau de pluie uniquement, source interne au bâtiment
• S6 – irrigation par eau de l’aqueduc, source municipale
• S7 – solution nutritive re-circulée en circuit fermé
• S8 – solution nutritive réutilisée dans une autre culture
• S9 – totalité des infrastructures d’origine recyclée, source nationale
• S10 – proportion d’infrastructures d’origine recyclée égale à l’usage actuel de matériaux recyclés, source nationale
• S11 – recyclage des matériaux en fin de vie, efficacité maximale
• S12 – recyclage des matériaux en fin de vie, proportion égale au taux de recyclage actuel
• S13 – Combinaison : totalité des matériaux d’origine recyclée puis recyclés en fin de vie, totalité de l’irrigation par eau de pluie, solution nutritive en circuit fermé, substrat de compost municipal, fertilisant de struvite municipal.

Enfin, l’ensemble des impacts est rapporté par kilogramme de tomates produit et les indicateurs environnementaux considérés sont les changements climatiques, l’eutrophisation des eaux douces, l’eutrophisation marine, l’écotoxicité et la demande énergétique cumulée.

Résultats

En ce qui concerne l’eutrophisation, les stratégies 7 et 8, comme il était prévisible, ont un impact grandement réduit sur l’eutrophisation marine et des eaux douces (Figure 1). Les stratégies 1 et 2 ont également un faible impact sur l’eutrophisation des eaux douces, car la struvite offre un relâchement lent du phosphore. Le scénario 9 réduit également l’eutrophisation des eaux douces par l’utilisation d’acier recyclé. Enfin, le scénario 13 a l’impact le plus faible, tant sur l’eutrophisation marine que des eaux douces.

Un résultat surprenant de cette étude est que la stratégie 4 a un plus grand impact sur les changements climatiques que toutes les autres, incluant le scénario de base. La stratégie ayant le plus faible impact sur les changements climatiques est la stratégie 9, suivie de la stratégie 6.

Finalement, les stratégies 9 et 6 sont également parmi les meilleures en ce qui concerne l’écotoxicité et la demande énergétique cumulative. Seule la stratégie 13 offre de meilleures performances, et il s’agit de la stratégie la plus performante dans toutes les catégories à l’exception de l’impact sur les changements climatiques, où son impact est légèrement accru par l’usage du compost tel que la stratégie 4.

Figure 1. Score des indicateurs pour toutes les stratégies. Changements climatiques (kg eq. CO₂); Eutrophisation des eaux douces (kg eq. P); Eutrophisation marine (kg eq. N); Écotoxicité (kg eq. 1,4-DB); Demande énergétique cumulative (MJ).

Propositions d’amélioration à apporter pour les futurs calculs de circularité

L’étude démontre que l’application du calcul de l’ICM aux productions agricoles est biaisée par la masse de l’eau d’irrigation. En effet, l’ICM se basant sur les masses des intrants et extrants, l’eau d’irrigation a un impact démesuré par rapport aux autres intrants dans l’analyse des différentes stratégies. Dans les cas de cette étude, la stratégie 6, utilisant de l’eau municipale, est pratiquement linéaire avec un score de presque 0, alors que toutes les autres stratégies (utilisant le même apport hydrique de 89% d’eau de pluie) ont un score identique de 0,45. Seules les stratégies 5, 7 et 13 se démarquent par un score d’à peine plus de 0,5, ceci car elles utilisent soit uniquement de l’eau de pluie ou qu’elles procèdent à la recirculation de la solution nutritive.

L’une des modifications suggérées afin de contourner cette problématique est de calculer l’ICM de manière séparée pour chaque élément du système, puis de diviser le résultat obtenu par le nombre d’éléments du système, avant d’agréger la totalité des résultats. En appliquant cette méthode et en divisant le système de culture en neuf sous-systèmes (eau, fertilisants, structure, etc.), Rufí-Salís et ses collègues ont obtenu des scores vraiment différents pour chaque stratégie analysée dans leur étude. La majorité des scénarios obtiennent un score entre 0,1 et 0,3 alors que le scénario 13 obtient un score de plus de 0,6. Cette méthode permet également de constater facilement quel sous-système est le plus ou le moins circulaire.

Une autre méthode de calcul modifié de l’ICM serait le couplage avec un seul indicateur environnemental à la fois (Figure 2). Par exemple, il pourrait s’agir de l’impact sur l’eutrophisation, ou encore sur l’appauvrissement des ressources en effectuant un couplage avec des bases de données sur la rareté des ressources. Ceci permet d’inclure facilement une perspective environnementale aux calculs de circularité.

Figure 2. Score des MCI modifiées avec les indicateurs environnementaux.

Finalement, deux autres méthodes de calcul sont proposées, soit l’utilisation de l’indice de flux linéaire (IFL) à valeurs relatives et l’IFL à valeurs absolues. L’IFL à valeurs relatives permet d’identifier quel sous-système de chaque scénario a l’impact le plus important, tout en séparant chaque paramètre environnemental. Puisqu’il s’agit de valeurs relatives, cette méthode ne permet pas de comparer un scénario à un autre. Toutefois, en déterminant quel sous-système a l’impact le plus important, elle permet de cibler où les efforts de circularité doivent être dirigés afin d’améliorer chaque scénario. En éliminant la relativité des valeurs de chaque sous-système, l’IFL à valeurs absolues permet quant à lui de comparer les scénarios.

Conclusion

L’évaluation de l’impact environnemental de diverses stratégies d’AU à l’aide d’une analyse sur le cycle de vie et sur la circularité se révèle très complexe. Certains paramètres peuvent avoir un impact démesuré sur les résultats des modélisations et chaque méthode de calcul apporte ses avantages et inconvénients. Pour cette raison, il est recommandé par l’équipe d’utiliser plusieurs des méthodes de calcul lors de la réalisation d’une évaluation afin d’obtenir une meilleure vision des impacts environnementaux de chaque stratégie considérée.

En fin de compte, le choix d’une stratégie dépendra de quel paramètre environnemental est le plus important (variable selon le contexte), du type de système de culture ainsi que des capacités de la ferme. Parmi les divers scénarios évalués dans cette étude, celui combinant plusieurs stratégies (scénario 13) obtient évidemment les meilleurs résultats. Cependant, si les ressources (financière et techniques) de la ferme sont limitées, trois autres scénarios ont démontré une réduction significative de l’impact environnemental de la production en AU :

• la circulation en circuit fermé de la solution nutritive (réduction de l’impact de 53,4 % sur l’eutrophisation des eaux douces et de 92,4 % sur l’eutrophisation marine),
• la fertilisation à la struvite (réduction de l’impact de 53,4 % de l’eutrophisation des eaux douces, et réduction de l’utilisation de phosphore secondaire)
• l’utilisation de matériaux recyclés (réduction de l’impact de 37,5 % sur les changements climatiques et de 41,0 % de la demande énergétique cumulée).

Cette recherche montre l’importance de travailler sur le développement des fertilisants organiques pour réduire l’impact environnemental des fermes urbaines en intérieur.

Source

Rufí-Salís, M., Petit-Boix, A., Villalba, G.,  Gabarrell, X. et Leipold, S. (2021). Combining LCA and circularity assessments in complex production systems: the case of urban agriculture. Resources, Conservation & Recycling, https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2020.105359

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