Simultaneous carbon storage in marginal lands and anthropogenic products through biopump : potential to induce negative emission and environmental mitigation

L'Accord de Paris exige que la société humaine limite l'augmentation de la température mondiale à 1,5°C ou maximum 2°C, et cet objectif est confirmé lors de la Conférence des Nations Unies sur le changement climatique de 2021. De nombreuses mesures ont été proposées pour atteindre cet objectif, par exemple la France a annoncé qu'elle réduirait ses émissions de gaz à effet de serre (GES) de 40 % avant 2030 et qu'elle atteindrait la neutralité carbone avant 2050. Tous ces objectifs climatiques sont le moteur pour développer des méthodes pour éliminer les GES de l'atmosphère et éviter l'utilisation accrue de carbone fossile.Les plantes utilisent le CO2 par la photosynthèse, qui est considérée comme une capture naturelle du CO2. Inspirée par cela, cette thèse propose le concept de "bio-pompe" pour induire des émissions négatives et atténuer le réchauffement climatique. La bio-pompe est une plante capable de convertir une partie du carbone capté par la photosynthèse en stocks de carbone organique du sol(COS). Une fois la plante mature, les parties récoltables sont transformées en produits biosourcés, afin que le carbone de cette partie de la biomasse soit conservé dans la technosphère. Ces matériaux ont une durée de vie et une fin de vie qui vont influencer le stock de carbone dans la technosphère. En même temps, les produits biosourcés remplacent les produits fossiles avec des fonctions similaires, ce qui peut contribuer à l'atténuation du changement climatique. Ainsi, la bio-pompe peut capter le carbone de l'atmosphère dans deux puits, le sol et la technosphère, tout en évitant la production de produits à base de fossiles, qui peuvent contribuer aux objectifs climatiques.Pour éliminer plus de CO2, des bio-pompes devraient être plantées dans des zones qui perturbent le moins les activités agricoles et humaines actuelles, tout en ayant un potentiel élevé de stockage supplémentaire de carbone dans le sol. Ces terres sont appelées « terres vulnérables au carbone » (terres-CV). On estime qu'il existe jusqu'à 24 000 km2 de terres-CV en France. La plantation de bio-pompes sur ces terres pourrait augmenter de 0,23 à 0,49 Mt de carbone stocké en COS annuellement, ce qui représente 0,19 % à 0,41 % par rapport au budget carbone annuel français 2015-2018. Si le carbone contenu dans la biomasse est conservé dans des produits anthropiques, il pourrait représenter jusqu'à 13,07 % du budget carbone annuel français, prouvant la faisabilité de cette stratégie en général.Deux études de cas spécifiques ont été menées. Le chanvre et le robinier ont été choisis respectivement comme bio-pompes annuelles et pérennes. Les flux de carbone ont été comptabilisés annuellement, une analyse du cycle de vie (ACV) conséquentielle a été réalisée pour évaluer les effets environnementaux de l'introduction de la bio-pompe dans les nouvelles chaînes de valeurs. Le chanvre et le robinier étaient considérés comme cultivés pendant environ 100 ans sans interruption. Le changement de COS pendant la culture a été simulé sur la base des caractéristiques des terres -CV et des apports de carbone des bio-pompes sélectionnées. Étant donné que les systèmes étudiés ont des temporalités différentes et qu'il existe différents objectifs climatiques (par exemple 2030, 2050), il est nécessaire d'estimer l'effet sur le changement climatique avec des paramètres temporels, en utilisant l'approche ACV dynamique.Les résultats montrent que les bio-pompes pourraient non seulement induire plus de COS et atténuer le changement climatique, mais aussi être plus performantes dans la plupart des aspects environnementaux (par exemple, la santé humaine, l'eutrophisation), en partie du fait du remplacement des produits fossiles. En termes de calendrier, les bio-pompes pérennes pourraient réduire le réchauffement climatique à plus long terme que les plantes annuelles.The Paris Agreement requires human society to limit global temperature increase to 1.5°C or no more than 2°C, and this goal is confirmed in the 2021 United Nations Climate Change Conference. Many milestones have been set to reach this goal, for example France has announced that it will reduce its greenhouse gas (GHG) emissions by 40% before 2030 and that it will reach carbon neutrality before 2050. All of these climate goals are driving our society to develop methods to remove GHGs from the atmosphere and avoid the increased use of fossil carbon.Plants utilize CO2 through photosynthesis, which is considered a natural CO2 capture. Inspired by this, this thesis proposes the concept of "biopump" to induce negative emissions and mitigate the global warming. The biopump is a plant that can convert some of the C captured by photosynthesis into soil organic carbon stocks (SOC). Once the plant matures, the harvestable parts are transformed into biobased products, so that the carbon from this part of the biomass is conserved in the technosphere. These materials have a life span and end of life that will influence the carbon stock in the technosphere. Meanwhile, biobased products replace fossil-based products with similar functions, which can contribute to climate change mitigation. Therefore, the biopump can capture carbon from the atmosphere in two sinks, the soil and the technosphere, while avoiding the production of fossil-based products, which can contribute to climate goals.To remove more CO2, biopumps should be planted in areas that are least disruptive to current agricultural and human activities, yet have high potential for additional carbon storage in the soil. These lands are referred to as "carbon vulnerable lands" (CV-lands). It is estimated that there are up to 24,000 km2 of CV lands in France. Planting biopump on these lands could increase by 0.23 to 0.49 Mt carbon stocked as SOC annually, which represents 0.19% to 0.41% from the 2015-2018 French annual carbon budget. If the carbon contained in the biomass is kept in anthropogenic products, it could represent up to 13.07% of the French annual carbon budget, proving the feasibility of the biopump strategy in general.After the feasibility was confirmed, two specific case studies were conducted. Hemp and black locust were chosen as annual and perennial biopumps, respectively. Carbon fluxes were accounted for annually, consequential life cycle assessment (LCA) was conducted to assess the environmental effects of the biopump introduction in new value chains. Hemp and black locust were considered to be grown for 100 years without interruption. The change in SOC during cultivation was simulated based on the soil characteristics of the identified CV-lands, and the C inputs of the selected biopumps. The results were considered in the life cycle inventory from cultivation to disposal of the biobased products, with different lifetimes. Since the systems under study have different temporalities and there are different climate milestones (e.g. 2030, 2050), it is necessary to estimate the effect on climate change with temporal parameters, using the dynamic LCA approach.Compared to initial vegetation grown on CV-land, the results show that biopumps could not only induce more C stored in the soil, and mitigate the climate change, but also perform better in most environmental aspects (e.g., human health, eutrophication), partly due to the replacement of fossil products. In terms of timing, perennial biopumps could reduce global warming in the longer term than annual plants.This work could be validated further by multiplying the case studies, or even by experimental approaches