L’essentiel en un coup d’œil :
Cette étude, réalisée à partir de fumiers provenant de six fermes laitières de l’Estrie et du Saguenay–Lac-Saint-Jean, visait à mieux comprendre le potentiel de production de méthane des fumiers de vaches laitières au Québec et à évaluer la possibilité de le prédire à l’aide de modèles d’apprentissage automatique. Trois principaux constats se dégagent :
1. Le fumier de vaches laitières a produit du méthane à 20°C, une température plus faible que celle habituellement utilisée en biométhanisation. Des températures de fonctionnement plus basses pourraient réduire les besoins de chauffage des digesteurs au Québec et ainsi contribuer à diminuer les coûts d’exploitation.
2. Malgré des différences importantes dans la production totale de méthane entre les fermes, les écarts se sont considérablement réduits lorsque le rendement en méthane a été exprimé par unité de matière organique. Cela indique qu’une grande partie des différences observées dans la production totale de méthane était liée à la quantité de matière organique présente dans le fumier, plutôt qu’à son seul potentiel intrinsèque de production de méthane. Cependant, les rendements en méthane n’étaient pas identiques d’une ferme à l’autre, ce qui suggère que des facteurs propres à chaque ferme, notamment la composition du fumier, le type de litière et les pratiques de gestion, influencent également la production de méthane.
3. L’intelligence artificielle, et plus particulièrement l’apprentissage automatique (machine learning) pourrait accélérer l’évaluation du potentiel méthanogène du fumier. À partir des caractéristiques physicochimiques du fumier, les modèles ont démontré de bonnes performances prédictives pour l’ensemble des fermes étudiées. Après validation supplémentaire, cette approche pourrait réduire le recours aux essais prolongés de digestion anaérobie pour évaluer le potentiel énergétique du fumier.
Pourquoi s’intéresser à la biométhanisation?
Le fumier, un important émetteur de méthane (CH4)
Lorsqu’il s’agit de réduire leurs émissions, les producteur(trice)s de lait peuvent agir à différents endroits à la ferme : au niveau de la gestion du troupeau, des travaux aux champs, et de l’entreposage du fumier. Les bilans carbone réalisés sur les 20 fermes participant au Laboratoire vivant – Lait carboneutre ont en effet montré que le fumier est responsable d’environ le quart des émissions totales de gaz à effet de serre à la ferme!
Plusieurs pratiques de gestion peuvent contribuer à réduire ces émissions, comme retarder le vidage printanier des fosses afin de maintenir le fumier à une température plus basse, ou encore vider les structures d’entreposage plus fréquemment durant l’été. Mais un autre procédé attire de plus en plus l’attention : la biométhanisation.
Un procédé avec plusieurs avantages
La biométhanisation consiste à introduire le fumier dans un digesteur fermé, où des microorganismes le décomposent en l’absence d’oxygène. C’est ce qu’on appelle la digestion anaérobie. Le biogaz produit est alors capté plutôt que de laisser le méthane s’échapper lors de l’entreposage conventionnel du fumier. Ce biogaz peut être utilisé pour produire de la chaleur ou de l’électricité, tandis que la matière résiduelle, appelé digestat, peut être répandue dans les champs comme source de nutriments.
La biométhanisation permet donc de valoriser l’énergie contenue dans le fumier et peut contribuer à réduire les émissions de méthane associées à l’entreposage conventionnel, à condition que le biogaz et le digestat soient gérés adéquatement.
Un potentiel à évaluer avant d’investir
La biométhanisation nécessite cependant un investissement important de la part des producteur(trice)s et doit en plus être adaptée aux conditions de chaque ferme et du climat du Québec. Les basses températures représentent en effet un défi, puisqu’elles peuvent ralentir l’activité des microorganismes responsables de la dégradation de la matière organique en méthane, ce qui influence la conception des digesteurs, leur performance et la rentabilité des projets.
Avant d’investir dans une telle technologie, les producteur(trice)s doivent répondre à une question fondamentale : quelle quantité de méthane leur fumier peut-il produire?
Six fermes, six types de fumier
Pour répondre à cette question, les équipes de recherche dirigées par Rajinikanth Rajagopal et Bernard Goyette ont prélevé des échantillons de fumier dans six fermes laitières du Saguenay–Lac-Saint-Jean et de l’Estrie. Ces fermes présentaient une diversité de tailles de troupeau, de systèmes de logement, de matériaux de litière, de méthodes de collecte du fumier et de pratiques de gestion.
| Ferme | Nombre vaches | Stabulation | Litière | Système de collecte | Particularité de gestion | Matière sèche (%) |
| Ferme 1 | 198 | Stabulation libre | Aucune | Racleur vers pré-fosse | Aucune | 13,8 % |
| Ferme 2 | 206 | Stabulation libre | Aucune | Fosse souterraine directe | Ajout d’enzymes | 6,1 % (très liquide) |
| Ferme 3 | 88 | Stabulation entravée | Copeaux et paille | Racleur vers pré-fosse | Aucune | 16,5 % (très épais) |
| Ferme 4 | 142 | Stabulation libre | Paille | Racleur | Aucune | 13,1 % |
| Ferme 5 | 99 | Stabulation libre | Paille | Racleur vers pré-fosse | Aucune | 14,1 % |
| Ferme 6 | 97 | Stabulation entravée | Copeaux et paille | Racleur vers pré-fosse | Aucune | 13,5 % |
Les échantillons de fumier ont ensuite été analysés dans des digesteurs de laboratoire d’une capacité d’un litre pendant 38 jours à 20 °C. Cette approche a permis aux scientifiques d’évaluer la production de méthane dans des conditions de température plus faibles, représentatives du contexte climatique du Québec.
Tous les fumiers ont-ils le même potentiel?
À première vue : non…
À première vue, les fumiers présentaient des performances très différentes. La production de méthane variait de 2,03 à 7,74 litres selon les fermes : c’est près de quatre fois plus entre les valeurs les plus faibles et les plus élevées.
Pourquoi une telle différence?
Une partie de cette variation s’explique parce que les fumiers ne contenaient pas tous la même quantité de matière organique pouvant être transformée en méthane. Par exemple, le fumier de la ferme 5, qui a produit le plus de méthane, présentait une teneur relativement élevée en matière organique et contenait de la litière de paille.
À l’inverse, la ferme 2 a affiché la plus faible production de méthane. Son fumier pourrait avoir subi une dégradation partielle avant l’échantillonnage, possiblement en raison de l’utilisation d’un additif enzymatique à la ferme. Toutefois, cette explication demeure une hypothèse et ne doit pas être interprétée comme un effet démontré de cet additif.
Une fois la matière organique prise en compte, les écarts se réduisent
Lorsque la quantité de méthane produit a été exprimée par unité de matière organique, les différences se sont fortement atténuées. Les rendements variaient de 0,07 à 0,14 litre de méthane par gramme de matière organique volatile. Des rendements similaires ont été rapportés dans d’autres études portant sur la biométhanisation d’effluents d’élevage à 20°C.
Autrement dit, à quantité égale de matière organique, les écarts de production de méthane entre les fermes étaient donc beaucoup moins prononcés. Cela indique que les différences observées dans la production cumulative de méthane étaient fortement influencées par la quantité de matière organique présente dans chaque fumier. Cependant, même après normalisation par la teneur en matière organique, des écarts de rendement en méthane subsistent entre les fermes, ce qui suggère que certaines caractéristiques propres à chaque ferme continuent d’influencer le potentiel méthanogène du fumier.
Avec l’acquisition de données provenant d’un plus grand nombre de fermes et de différentes saisons, ces résultats pourraient contribuer à l’établissement de plages de référence représentatives du rendement en méthane des fumiers de vaches laitières au Québec.
Échantillonnage des gaz produits et analyse de la composition par chromatographie en phase gazeuse pour la quantification du méthane.
L’apprentissage automatique pourrait accélérer l’évaluation du potentiel méthanogène
Mesurer le potentiel méthanogène d’un fumier exige généralement plusieurs semaines de digestion en laboratoire. Les scientifiques ont donc évalué si des modèles d’apprentissage automatique (machine learning) pourraient offrir une méthode de dépistage plus rapide.
Pour chaque échantillon de fumier, plusieurs caractéristiques physicochimiques ont été mesurées en laboratoire. Ces données ont servi à entraîner différents modèles d’intelligence artificielle afin d’établir des liens entre la composition du fumier et sa production de méthane.
Les modèles ont montré une forte capacité prédictive lorsqu’ils ont été évalués sur des données provenant de fermes exclues de la phase d’entraînement, ce qui constitue un test rigoureux de leur capacité à être appliqués à de nouvelles fermes.
L’interprétation des modèles a révélé que parmi les variables les plus influentes pour prédire le rendement en méthane figuraient :
- La demande chimique en oxygène soluble (DCOs), qui représente une source d’énergie rapidement disponible pour les microorganismes;
- l’acide acétique, un précurseur direct de la formation du méthane.
Avec des travaux de développement et de validation supplémentaire, cette approche pourrait permettre d’estimer plus rapidement le potentiel de production de méthane d’un fumier à partir de caractéristiques physicochimiques couramment mesurées. À ce stade, ces modèles constituent toutefois un outil de prédiction complémentaire et ne remplacent pas les essais expérimentaux standardisés. À plus long terme, cela pourrait réduire le recours à de longs essais de digestion anaérobie pour évaluer le potentiel énergétique du fumier.
Toutefois, avant que ces modèles puissent être appliqués à grande échelle dans le secteur laitier, ils devront être validés à partir d’un ensemble de données plus vaste et plus diversifié, couvrant un plus grand nombre de fermes, de saisons et de conditions de gestion du fumier.
Collecte et analyse d’échantillons pour la caractérisation physicochimique du fumier
Comment réduire les émissions lors de l’entreposage dans les fosses?
Les scientifiques ont aussi suivi les émissions de méthane lors de l’entreposage du fumier pendant plus de 90 jours. Contrairement aux rendements en méthane observés lors des essais de digestion contrôlée, qui variaient relativement peu d’une ferme à l’autre une fois la matière organique prise en compte, les émissions durant l’entreposage ont montré une variabilité beaucoup plus importante. Certaines fermes ont enregistré des émissions de méthane nettement plus élevées que d’autres.
L’évaluation du potentiel de production du méthane des fumiers est particulièrement utile pour les fermes qui envisagent de se lancer dans un projet de biométhanisation. Cependant, la forte variabilité observée lors de l’entreposage montre que davantage de travaux sont nécessaires pour mieux comprendre comment la composition du fumier, la température, les conditions d’entreposage et les pratiques de gestion interagissent pour influencer la formation du méthane.
Mieux comprendre cette variabilité représente donc une occasion intéressante d’identifier des pistes d’action et de développer des pratiques permettant de réduire les émissions de gaz à effet de serre des fermes laitières.
Pour découvrir l’ensemble des résultats de l’étude, consultez l’article complet :
Le Laboratoire vivant – Lait carboneutre
Le Laboratoire vivant – Lait carboneutre est une grande démarche d’innovation portée par les Producteurs de lait du Québec (PLQ) et financée par le programme Solutions agricoles pour le climat – Laboratoires vivants d’Agriculture et Agroalimentaire Canada. Coordonné par Novalait, il rassemble producteur(trice)s, expert(e)s et scientifiques autour d’un objectif commun : réduire l’empreinte carbone des fermes laitières.
