Forested lands represent the main part of terrestrial biomass, one of the three carbon stocks in the ‘earth surface–oceans–atmosphere’ system (Fig. 1). Carbon fluxes between oceans and atmosphere are close to those between terrestrial biomass and atmosphere. Anthropogenic emissions are lower, however not compensated by inverse fluxes. Global carbon stock variation is the result of several effects, cumulative or opposed: (i) area variations, (ii) mean density variations. At the global scale, almost half of the round wood production is fuel wood, the other half being used as industrial wood. Due to the low yield of wood transformation, a large volume of waste is produced, some of which being used for energy production or pulpwood (Fig. 2).

Basic concepts need to be described to address forest ecosystems storage potential. The behaviour of an ecosystem depends on various parameters, biological, physical, or chemical, which may vary freely or under human action. Forest management, mainly by the way of harvest, influences forest dynamics.

Storage capability is defined as a net annual biomass (ΔB) or total carbon (ΔSE=ΔB+ΔSEs) increment. It depends on ecological and agronomic parameters, such as (Table 1): (i) gross annual biomass production flux (pB=NPP=ΔB+LCM), (ii) gross primary production (GPP=pB+Ra), (iii) soil carbon increment (ΔSEs).

Three evolution patterns are considered here: (i) free ecosystem growth, (ii) managed ecosystem, and (iii) plantation ecosystem. Three stages in the forest growth are pointed out (Fig. 3): (i) maximum of current annual increment, a, (ii) maximum of mean annual increment, b, and (iii) balanced fluxes, i.e. global stock maximum, c. Relevant parameters for carbon storage are: (i) stocks (B,SE), as a function of time, (ii) annual variations of stocks (ΔB,ΔSE), as a function of time, and (iii) typical storage time.

For wood products, two stocks have to be considered: long-lived end products (more than one year lifetime) and current stocks. The annual storage capacity is an assessment of the various fluxes, and depends on the development of wood use and structural changes in the wood sector. Relevant parameters are: (i) stocks (P), as a function of time, (ii) annual variations of stocks (ΔP), as a function of time, (iii) overall wood products flux (pP), and (iv) characteristic storage time.

There are two main ways of action on surfaces: land use changes from non-forest to forest area and forest management changes. As far as products are concerned, the main option is intensification of wood material.

Wood energy (Fig. 4) has a significant contribution in the world gross energy supply, almost the same as nuclear energy or hydroelectricity. The potential for energy wood looks like the one for carbon storage: a large part of set aside or marginal land could produce up to 3 Gtoe yr⁻¹ by 2050. Valorisation of forest residues and residues from wood transformation may be also significant and easy to mobilise.

Forests may fulfil various functions: production, preservation, landscape management, environmental services. Combined uses of forests could help increasing plantation rates and global storage potential. Fossil reserves and available land are compared in Table 2 for three categories: proved recoverable, known in place and ultimate reserves. Using a simple plantation scenario, the influence on total carbon emissions of single storage, and CCSWE is assessed. The bonus factor is defined as the ratio of CCSWE stored and non-emitted carbon to SSt stored carbon. The positive effect of wood energy is obvious: despite the many uncertainties on fossil reserves and available land, wood energy proves to be a good way: (i) to contribute to the preservation of limited fossil reserves, and (ii) to capture and store carbon.

Tableau 2

Matrices de conversion d'usage des sols : variations des stocks et flux

Land use change matrix: changes in stocks and fluxes

	Culture	Prairie permanente	Forêt non exploitée	Forêt exploitée au maximum de l'AAM	Forêt exploitée au maximum de l'AAC	Forêt exploitée au maximum du stock
Variation du stock de C total (sol compris), en tC ha−1
Culture		−30,3	−128,1	−64,1	−50,1	−93,1
Prairie permanente	30,3		−97,8	−33,8	−19,8	−62,8
Forêt non exploitée	128,1	97,8		64,0	78,0	35,0
Forêt exploitée au max de l'AAM	64,1	33,8	−64,0		14,0	−29,0
Forêt exploitée au max de l'AAC	50,1	19,8	−78,0	−14,0		−43,0
Forêt exploitée au max du stock	93,1	62,8	−35,0	29,0	43,0
Variation du flux de stockage, en tC ha−1 an−1
Culture		−2,3	−1,8	−4,9	−4,4	−3,4
Prairie permanente	1,2		−0,3	−3,4	−2,9	−1,9
Forêt non exploitée	1,3	0,3		3,1	−2,6	−1,6
Forêt exploitée au max de l'AAM	4,4	3,4	3,1		0,5	1,5
Forêt exploitée au max de l'AAC	3,9	2,9	2,6	−0,5		1,0
Forêt exploitée au max du stock	2,9	1,9	1,6	−1,5	−1,0

However, the studied scenario could be insufficient if no other action is engaged: 650 Gt C would be emitted by the use of U1 ultimate reserves, of which only a part could be naturally sequestered by oceans.

Forest ecosystems have significant carbon storage potential, in comparison with annual emissions. Their effects show restrictions (end-of-growth stock in mature forests, long-term stock sustainability), which can be pushed back with the progressive development of CCSWE, becoming then economically feasible in a larger number of situations. Wood energy production at the global scale, enhancing carbon storage potential, appears to be a realistic way to use ultimate fossil reserves, together with rational use and minimisation of carbon emissions. Except in case of ambitious plantation scenario, this solution has to be accompanied by other actions. When considering implementation issues, studies at the local scale are needed to assess the whole mitigation capacity from an operational and concrete point of view.

Il existe plusieurs définitions des surfaces forestières, selon les critères retenus (hauteur des arbres, densité et étendue du couvert). Les données utilisées ici se rapportent à la définition de la FAO : une forêt comporte un couvert arboré supérieur à 10 % de la surface, elle-même supérieure à 0,5 ha [12]. Les surfaces boisées forment l'essentiel de la biomasse continentale, un des trois stocks de carbone actifs du système « surface terrestre–atmosphère », avec l'atmosphère et les océans (Fig. 1). Les flux échangés entre océans et atmosphère (90 Gt C an⁻¹) sont du même ordre de grandeur que ceux échangés entre biomasse continentale et atmosphère (120 Gt C an⁻¹). Le flux anthropique net total, comprenant les émissions des combustibles fossiles (∼7 Gt C  an⁻¹) et de la déforestation (∼2 Gt C an⁻¹), quoique de plus faible ampleur (∼9 Gt C an⁻¹), n'est pas, quant à lui, directement compensé par un flux inverse.

La variation du stock global de carbone (Tableau 1) résulte de plusieurs contributions, concourantes ou opposées : (i) variations de surfaces, positives (boisement, reboisement, expansion naturelle des forêts), ou négatives (déforestation, catastrophes naturelles), (ii) variations de densité moyenne (stock sur pied, sol) liées aux pratiques culturales ou à des effets naturels. L'augmentation de la teneur atmosphérique en CO₂ a un effet « fertilisant » sur les forêts, dont l'ampleur globale est mal connue du fait du rôle des autres facteurs limitants (eau, minéraux…). Actuellement, la surface planétaire de forêts s'élève à 3870 Mha. La situation présente peut sembler paradoxale : les surfaces diminuent et le stock sur pied, lui, paraît augmenter. Cet état n'est évidemment pas pérenne et serait lié au fait que les surfaces actuellement déboisées sont parmi les moins productives en termes d'accroissement de biomasse, parce qu'elles correspondent souvent à des systèmes proches du climax, c'est-à-dire qui tendent vers un stade d'équilibre.

N'est considérée ici que la production de bois rond, qui constitue un douzième de l'incrément annuel de biomasse environ. À l'échelle mondiale, plus de la moitié de la production de bois rond est destinée à des usages énergétiques (bois de feu, charbon de bois), l'autre moitié couvrant les usages industriels du bois (Fig. 2). Une grande part est utilisée pour les sciages et placages. La transformation, à faible rendement de matière, produit d'importants volumes de déchets, dont une partie est valorisée sous forme d'énergie ou de matière première pour trituration. Le rôle des produits du bois dans le cycle du carbone est triple : la récolte non transformée constitue un stock tampon qui prolonge le stockage global du carbone, et l'utilisation du bois en substitution à d'autres matériaux permet de modérer l'intensification de l'effet de serre directement, par l'utilisation du bois énergie, et indirectement par le remplacement qu'il permettrait de matériaux plus coûteux en énergie (ciment, aluminium…).

Quelques notions de fonctionnement sont nécessaires pour appréhender le potentiel de stockage de différents types de systèmes forestiers. Le comportement d'un écosystème dépend des caractéristiques physico-chimiques du milieu et de la nature de la communauté biologique. Ces aspects peuvent évoluer librement, ou être modifiés par l'homme : maîtrise des facteurs limitants (eau, nutriments minéraux, qualité du sol…), contrôle des peuplements (choix d'espèces privilégiées, amélioration des espèces). L'exploitation forestière elle-même influence, par la récolte principalement, le fonctionnement du système.

Les données initiales d'un site sont les suivantes : potentiel agronomique, stock initial, nature du peuplement (adaptation des espèces, variété des peuplements, distribution par âges…), modalités de gestion. Ces données définissent une capacité annuelle de stockage, exprimée comme un accroissement annuel net de biomasse (ΔB) ou de carbone total de l'écosystème (ΔSE=ΔB+ΔSEs) – incluant la biomasse morte non encore décomposée dans le sol. L'évolution du stockage dépend d'autres variables écologiques ou agronomiques (Tableau 1) :

• – le flux annuel brut de production de biomasse (pB=NPP=ΔB+LCM) : plus réduites sont les pertes par consommation et mortalité, plus grand est le stockage dans la biomasse ;
• – la production primaire brute (GPP=pB+Ra), représentant approximativement la captation première de carbone dans l'atmosphère : les végétaux des écosystèmes jeunes ou exploités ont à la fois une croissance forte et des taux de respiration plus faibles que les systèmes matures ;
• – l'accroissement du carbone du sol (ΔSEs) : si l'activité des décomposeurs ne consomme pas tout le flux annuel de biomasse morte (chute de litière), il en résulte un accroissement net ΔSEs ; dans certains cas, l'activité de décomposition peut également consommer plus que la production annuelle de déchets, et constituer une source nette vers l'atmosphère.

Parmi les régimes d'évolution d'un écosystème, on en considère schématiquement trois principaux :

• – l'écosystème libre : à partir d'une situation initiale hypothétique (par exemple, prairie naturelle), se développe un peuplement forestier colonisateur, produisant une biomasse importante et modifiant les caractéristiques du sol ; cette communauté évolue vers le stade climax, dont le bilan des flux est nul (la mortalité naturelle compense l'accroissement des arbres vivants) : sa capacité annuelle de stockage apparaît alors nulle ;
• – l'écosystème géré ou entretenu, maintenu par l'exploitation dans un état particulier : il favorise une ou plusieurs espèces et a une productivité maximale ; la récolte périodique des produits forestiers, « exportés » de l'écosystème, représente des flux de carbone importants ;
• – l'écosystème de culture ou « artificiel » : regroupant les différents types de plantations, il connaît un contrôle anthropique maximal (sélection et amélioration des espèces, fertilisation et irrigation, lutte contre les parasites et les compétiteurs…) ; la production primaire (pBla) et l'exportation (xBla) sont plus élevées que dans les deux cas précédents, sur des surfaces parfois réduites, mais fortement sollicitées.

Dans le cas d'un écosystème géré, en culture, ou libre hors climax, il y a lieu de considérer différents stades de croissance d'un peuplement (Fig. 3) :

• – le maximum de l'accroissement annuel courant AAC, au point d'inflexion (a), qui traduit le pic de productivité primaire de l'écosystème ;
• – le maximum (b) de l'accroissement annuel moyen AAM, calculé depuis le début de la croissance ;
• – l'état d'équilibre des flux, entretenu ou non, correspondant au stock maximal de biomasse sur pied (c), asymptote de la courbe de croissance.

Les paramètres pertinents, parmi les variables écologiques et agronomiques, pour définir le stockage de carbone sont : (i) la mesure des stocks (B,SE) en fonction du temps ; (ii) les variations annuelles de stockage (ΔB,ΔSE) en fonction du temps ; (iii) le temps caractéristique de stockage, correspondant à la capacité annuelle de stockage optimale. Il est compris entre 20 et 100 ans, selon les conditions (sol, essence, mode de gestion).

Dans la filière aval de la forêt, deux types de stocks sont à considérer : (i) les stocks de produits finis de durée de vie supérieure à un an, (ii) les stocks circulants (stocks de matières premières, en-cours de production…) et les produits de durée de vie inférieure à un an.

La capacité annuelle de stockage est donnée par le bilan des flux de produits finis et de leur mise au rebut. Elle est nulle dans un marché de pur renouvellement où les déchets ne seraient pas valorisés énergétiquement. Le potentiel de stockage repose sur :

• – le développement de secteurs d'activité (construction, ameublement) ;
• – des modifications structurelles de ces secteurs, accroissant les flux de produits ou leur temps de stockage (durées de vie, part relative des produits bois, nouvelles utilisations du bois) ;
• – le développement d'activités reposant sur de fortes masses circulantes (par exemple, en cours de séchage) : bois énergie, papier carton.

Les paramètres pertinents pour le stockage dans les produits du bois sont : (i) la mesure des stocks en fonction du temps (P), (ii) le flux annuel de produits (pP), le bilan des utilisations et les temps de renouvellement, (iii) la variation annuelle de stockage en fonction du temps (ΔP), et (iv) le temps caractéristique de stockage.

En 2001, le flux annuel mondial (Fig. 2) de bois rond récolté est de 3,4 Gm³ an⁻¹, soit 1,1 Gt C an⁻¹. Les produits de durée de vie supérieure à un an, hors bois énergie, représentent 0,6 Gt C. En moyenne mondiale, la durée de stockage dans les produits est de 27 ans, ce qui tient compte de la contribution de chaque type de produits [14] : construction et ameublement (40 ans), papier, carton, emballage (7 ans). On évalue alors le stock à 32 Gt C.

Sur les surfaces, deux champs d'action sont possibles :

• – le changement d'usage des sols d'un système non ou faiblement boisé vers un système fortement boisé ;
• – le changement de mode de gestion d'un système libre ou non géré vers un système plus fortement contrôlé.

Sur les produits, le champ d'action principal est l'intensification de l'usage du bois matériau. Envisager un entreposage longue durée de produits forestiers ne semble guère réaliste, pour des raisons techniques et économiques, mais aussi du fait du phénomène de décomposition difficile à maîtriser (émissions de méthane…). En Europe, la part du bois récolté utilisé dans la construction est d'environ 10 % ; pour les seuls produits sciés, elle est de 32 % aux États-unis et de 51 % en Nouvelle-Zélande [6]. Un accroissement très significatif à l'échelle mondiale (par exemple, doublement des flux annuels) conduirait à stocker un supplément de 0,4 Gt C an⁻¹ sur 40 ans, soit 16 Gt C, si la durée de vie moyenne reste inchangée.

Actuellement, le bois énergie (Fig. 4) apporte une contribution significative au bilan énergétique mondial, proche de celles de l'énergie nucléaire ou hydroélectrique. Cette contribution, d'une comptabilité moins stricte que les énergies conventionnelles, n'apparaît généralement pas dans le bilan des énergies primaires. L'apport en bois énergie dans les pays en développement peut représenter jusqu'à 80 % de l'approvisionnement en énergie des foyers en zone rurale et de 40 à 80 % du bilan national d'énergie primaire, selon les situations les plus représentatives. Il prend la forme de bois de feu, de petit bois et de charbon de bois, ce dernier étant souvent exploité commercialement. Les autres biomasses utilisées traditionnellement sous forme d'énergie sont, dans certains cas, importantes : ainsi, les déchets animaux sont à l'échelle mondiale source de 150 Mtep an⁻¹ environ, dont 40 % pour l'Inde seule. La biomasse représentait, en 2000, 62 % de toute l'énergie primaire géothermique et renouvelable, y compris l'hydroélectricité, dans les pays de l'Union européenne (à 15), la majeure partie étant issue du bois ou de ses déchets et des déchets solides municipaux, les biocarburants et le biogaz étant presque négligeables [9].

Une typologie du bois énergie doit prendre en compte deux aspects : la forme du combustible et la technologie énergétique. Le bois énergie est utilisé sous diverses formes : (i) bois combustible et ses produits (bûches, plaquettes), ainsi que les résidus de récolte, (ii) déchets de bois (sciures, copeaux) et leurs produits (granulés, plaquettes), (iii) produits de la conversion thermochimique (charbon de bois par pyrolyse ou, de façon plus expérimentale, biocarburants) et (iv) produits de la gazéification. Les technologies énergétiques diffèrent selon les usages individuels, collectifs ou industriels, et selon la forme d'énergie utilisée (chaleur, électricité). On distingue : (i) les foyers individuels ouverts ou fermés, (ii) les chaudières individuelles, (iii) les chaudières de chaufferies collectives et industrielles, (iv) centrales de production d'électricité et de cogénération.

Les situations actuellement les plus répandues concernent :

• – le chauffage individuel à combustibles traditionnels, en foyers ouverts ou fermés (il représente un peu moins de 8 Mtep an⁻¹ en France, et environ 23 Mtep an⁻¹ dans l'Union européenne) à 15 (l'élargissement à 25 pays monte cette consommation à environ 30 Mtep an⁻¹) ;
• – le chauffage collectif et la chaleur industrielle à base de produits et déchets de bois ;
• – dans une moindre mesure, la production d'électricité avec ou sans récupération de la chaleur résiduelle (en Finlande, près de 10 % de l'électricité vient du bois, très majoritairement en cogénération).

Contrairement aux énergies fossiles (charbon, pétrole, gaz), le bois énergie, quand la biomasse est renouvelée en forêt, peut être considéré en première approche comme neutre vis-à-vis des émissions de gaz à effet de serre. Il permet donc, lorsqu'on y a recours de manière adaptée (composés organiques volatiles…) en substitution aux combustibles fossiles, de préserver les ressources non renouvelables d'énergie et d'éviter des émissions de CO₂.

Comme pour le stockage de carbone, deux types d'actions sur les surfaces peuvent augmenter l'usage du bois énergie. À l'échelle mondiale, une large part des terres marginales ou abandonnées par l'agriculture, dédiée à des plantations pour le bois énergie, pourrait produire jusqu'à 3 Gtep an⁻¹ à l'horizon 2050 [4]. La valorisation des résidus forestiers, dans le cadre d'exploitations existantes, présente également un potentiel important (0,2 à 0,4 Gtep an⁻¹ [10]). Enfin, dans le champ de l'utilisation des produits, la part des déchets de l'industrie du bois non valorisés représente un potentiel apparemment sous-utilisé, le plus aisé à mobiliser à court terme.

On peut distinguer quatre grandes catégories de fonctions des systèmes forestiers :

• – production : bois matériau ou combustible, agroforesterie ;
• – préservation du milieu naturel : sols (frange littorale…), microclimats, protection contre le vent ;
• – aménagement pour des fonctions sociétales : paysage, usages récréatifs et cynégétiques ;
• – services environnementaux collectifs ou industriels (stockage de carbone, traitement des eaux, remédiation).

Différents potentiels peuvent être estimés, en termes de surfaces et d'utilisations du bois, avec divers degrés d'incertitude dépendant du niveau de contraintes dans les hypothèses. Potentiels théoriques maximaux, possibles et certains dépendent des critères retenus pour le choix des paramètres déterminants : surfaces disponibles, productivités sur ces surfaces, parts relatives du bois matériau et du bois énergie [7].

Le Tableau 3 compare les réserves énergétiques fossiles et les réserves de surface pour trois catégories de réserves (prouvées récupérables PR, prouvées en place PP, et ultimes U1, U2 et U3), classées des plus certaines aux plus incertaines. Les catégories de réserves fossiles, en fonction de scénarios de référence [19], déterminent avec une incertitude croissante des horizons temporels proches, lointains ou très lointains. La mobilisation forestière des surfaces est étudiée, avec un scénario de boisement simple, du point de vue de l'impact sur les émissions nettes de carbone. On compare le stockage seul, directement lié au scénario retenu, à l'usage conjoint stockage–bois énergie. On ne prend pas en compte les éventuels effets naturels liés à l'accroissement du stock existant. On définit le facteur de bonification du bois énergie en rapportant les flux captés et évités dus au stockage avec production de bois énergie à ceux du stockage seul.

Pour chaque hypothèse de réserves de combustibles fossiles, le même scénario de consommation [18] est utilisé, définissant une durée d'épuisement des stocks. Cette durée sert de repère d'observation pour la comparaison entre boisement seul et usage conjoint. On observe, à cet horizon temporel, le cumul du carbone stocké, et évité dans le cas du bois énergie. Le taux de boisement est fixé par hypothèse, pour les réserves récupérables et en place, à 9 Mha an⁻¹, valeur comparable au taux actuel de déforestation. Pour les réserves ultimes, ce taux est doublé pour traduire un effort d'investissement dans le stockage de carbone. Les surfaces disponibles sont estimées avec une incertitude assez grande. Les réserves récupérables correspondent à une moyenne d'estimations des terres abandonnées par l'agriculture (4 à 5 % des terres émergées). Les réserves en place traduisent une mobilisation supérieure (6 % des terres émergées), guidée par un arbitrage entre les usages des sols. Les réserves ultimes correspondent enfin à une priorité donnée à l'usage des sols pour l'établissement de nouvelles forêts, sur de très larges étendues (16 % des terres émergées).

La bonification est évidente (de 1,3 jusqu'à 20 dans le cas des ressources ultimes), même si, compte tenu du scénario de boisement conservatoire, elle paraît modérée sur les premières années. Ce calcul constitue une évaluation au premier ordre, qu'il conviendrait d'affiner, en tenant compte notamment des émissions de carbone liées à la consommation d'énergie fossile externe [13]. Dans le cas du bois énergie, selon les situations (type de culture, type de combustible), la part des émissions fossiles sur tout le cycle de vie représente typiquement entre 2 et 5 % des émissions évitées, par exemple dans le cas de l'utilisation des plaquettes forestières, ce qui justifie en première approximation de les négliger. Les valeurs extrêmes peuvent être comprises entre 0,5 et 20 % des émissions évitées. Sur le long terme, à mesure que les stocks constitués n'évoluent plus, le bois énergie devient prépondérant : malgré les incertitudes, tant sur les réserves fossiles ultimes que sur la capacité à aménager les plus grandes réserves de sols, la bonification énergie se révèle une voie majeure permettant de limiter les effets négatifs d'un recours aux stocks fossiles ultimes. Le scénario étudié s'avère cependant insuffisamment ambitieux, si d'autres actions ne sont pas mises en œuvre [18] (maîtrise de la demande, autres énergies renouvelables…) : la mobilisation des réserves ultimes U1, avec stockage et bois énergie, émettrait en un siècle 650 Gt C en bilan net, dont seule une partie pourrait être naturellement absorbée par les océans. C'est sur un terme encore plus lointain (réserves U2 et U3) que l'effet de bonification devient plus significatif. Comme dans toutes les problématiques énergétiques, il ne faut pas compter sur une solution unique, mais au contraire sur un « mixte » de solutions complémentaires.