Application à l’étude du cycle de vie du béton de chanvre

Les approches d’éco-conception

      Knight et Jenkins (2009) décrivent l’éco-conception comme étant « une façon d’analyser et non un outil ou méthodologie spécifique ». Cette description reste assez vague et large. Comme introduit précédemment, l’éco-conception présente de nombreux objectifs qui peuvent être exprimés de façon synthétique comme la réduction des impacts environnementaux et la réduction de la consommation de ressources pour les différentes phases de l’ensemble du cycle de vie d’un produit. L’approche d’éco-conception peut être appliquée à différents niveaux de conception de produit (Unger et al. 2008; Knight & Jenkins 2009). Ces différents niveaux de conception peuvent être :
– Niveau 1 L’amélioration d’un produit existant : cela concerne par exemple l’utilisation de nouveaux matériaux pour un produit ;
– Niveau 2 La re-conception d’un produit, ce niveau peut être défini comme la conception d’un produit sur la base d’un produit existant ;
– Niveau 3 L’amélioration ou le changement de la fonction d’un produit ;
– Niveau 4 L’amélioration ou le changement du système de production du produit.
L’amélioration de l’éco-efficacité du produit est différente selon ces différents niveaux de conception selon Le Pochat (2005). Plus l’éco-conception est appliquée à un niveau de conception élevé au sens de la classification ci-avant, plus l’amélioration potentielle va être grande. Une multitude d’approches et d’outils d’éco-conception existent actuellement selon la revue effectuée par Baumann et al. (2002). Différents efforts pour caractériser ces méthodes ont abouti à diverses classifications. Baumann et al. (2002) ont pu identifier plus d’une centaine d’approches et d’outils d’éco-conception. Unger et al. (2008) ont proposé une première classification en se basant sur les critères suivant : le besoin de données de la méthode, le besoin de temps et le besoin de connaissance. En se basant sur ces critères, ils ont pu sortir deux grandes classes d’outils : les outils dits « sophistiqués » et les outils « simples ». Knight & Jenkins (2009) ont classé les outils d’écoconception suivant les groupes suivant : les guides, les check-lists et les outils analytiques. Une autre classification proposée par Ness et al. (2007) se rapporte à l’objectif que l’on veut atteindre :
– prospectifs : sont classés dans cette catégorie, les outils qui sont utilisés pour des fins de normalisation ;
– rétrospectif : sont classés ici, les outils fournissant des indices analytiques ;
– entre rétrospectif et prospectif : sont classés ici les outils qui permettent l’évaluation d’un produit.
Cette classification est néanmoins confuse quant au classement entre le deuxième et troisième groupe. Cette dernière classification va à peu près dans le même sens que celles de Leroy (2009) et le Pochat (2005) qui ont classifié les outils selon leurs objectifs d’application qu’ils soient des outils d’orientation de conception ou des outils d’analyse environnementale ou des outils qui permettent d’atteindre les deux objectifs. Lors de sa revue, Baumann et al. (2002) a choisi de classifier les différents outils et approches suivant l’application envisagée suivant les niveaux suivants :
– les outils qui visent l’étude du produit (145 outils),
– les outils qui visent plutôt l’amélioration d’un procédé ou d’un processus spécifique (87 outils),
– les outils qui visent l’ensemble d’une chaine de production ou la combinaison de plusieurs procédés (88 outils)
– et enfin les outils qui visent, d’un point de vue global, l’ensemble d’une industrie (19 outils).
Le Tableau 1 présente les caractéristiques des différentes approches ou outils d’écoconception que nous avons sélectionnés et que nous allons présenter par la suite. Les approches (et outils) sélectionnées sont jugées comme représentatives des différents types d’approches existant (qualitative et quantitative, prospective et retrospective). Le choix des outils présentés ici ont été fait sur la base des revues effectuées par Le Pochat (2005), Ness et al (2007), Unger et al (2008), Knight et Jenkins (2009) et Leroy (2009).

Rappels sur l’Analyse de Cycle de Vie

     L’ACV est un outil d’évaluation environnementale qui permet d’effectuer une analyse de système de produit. C’est une méthode multicritère. L’ACV est l’un des outils quantitatifs d’évaluation environnementale le plus établi et le plus développé (Ness et al. 2007; Bovea & Vidal 2004). Cependant, selon l’étude de Knight et Jenkins (2009) des réticences subsistent quant à l’utilisation de l’ACV en raison des besoins de ressources (données, mises en œuvre, temps) élevés. L’application d’une ACV est cadrée par les normes ISO 14040 et 14044 (Iso 2006a; Iso 2006b) qui définissent ses principes, son cadre d’application et ses lignes directrices. Un des avantages de l’ACV est d’identifier à la fois les processus ou étapes les plus impactants sur l’ensemble du cycle de vie d’un produit mais également les transferts des impacts environnementaux potentiels entre les différentes étapes de cycle de vie ou entre différentes catégories d’impacts. Selon l’objectif et le champ d’étude choisi, une ACV peut prendre en compte les différentes étapes de cycle de vie à partir de l’extraction des matières premières jusqu’à la fin de vie du produit (cradle to grave), ou une partie de cette étape de cycle de vie, par exemple de l’extraction des matières premières jusqu’à la sortie de la production (cradle to gate) où l’approche ne prend pas en compte la phase d’utilisation et de fin de vie du matériau. La réalisation d’une ACV comporte quatre phases principales (Figure 6) : (i) la définition des objectifs et du champ de l’étude, (ii) la phase d’inventaire de cycle de vie, (iii) la phase d’évaluation de l’impact du cycle de vie et (iv) la phase d’interprétation du cycle de vie (Iso 2006b; Guinée et al. 2002) . Une ACV est itérative comme nous le montrent les liens entre chaque phase de la Figure 6. Nous allons voir les différentes phases de réalisation de l’ACV ainsi que les liens entre ces différentes phases afin d’identifier les limites éventuelles, pour son application en tant qu’outil d’éco-conception. Les différentes limites potentielles sont identifiées pour chaque phase, puis pour l’ensemble du cadre méthodologique.

Généralités sur l’Analyse de Sensibilité

     D’une manière générale, un modèle est constitué d’un jeu de paramètres d’entrée. Pour l’ACV ces paramètres peuvent être des paramètres de fonctionnement de processus, des données d’inventaire, des facteurs d’émission, des facteurs de caractérisation, … qui, comme vue précédemment, peuvent provenir de plusieurs sources à savoir : la bibliographie, les enquêtes, une expérimentation, et pouvant comporter des incertitudes de niveaux très variables. L’analyse de sensibilité est une méthodologie qui permet de quantifier la part de variabilité induite par les différentes sources de variabilités sur la variabilité de la sortie d’un modèle. Elle se différencie de l’analyse d’incertitude (AI) du fait qu’elle décrit l’importance de chaque paramètre d’entrée individuellement ou en groupe sur la variabilité de la sortie (Campolongo et al., 2011; Sobol, 2001). Cette description peut être qualitative ou quantitative selon la méthode d’analyse de sensibilité choisie. Comme nous pouvons le voir dans la Figure 12 qui représente le schéma synoptique de l’AS et de l’AI, contrairement à cette dernière l’AS ne se concentre pas sur l’étude de la sortie, mais plutôt sur celui des différentes entrées du modèle. L’AS est une approche pour répondre à des objectifs précis. Parmi les objectifs de l’analyse de sensibilité, Homma et Saltelli (1996) ont mentionnés les suivants:
– classer les paramètres d’entrée du plus influent au moins influent;
– fixer les paramètres qui n’ont pas d’influence sur le modèle ;
– réduire la variance des sorties du modèle.
De nombreuses méthodes peuvent être utilisées afin de parvenir à la connaissance des indices qui permettent de quantifier ou de qualifier la sensibilité du modèle par rapport aux différents paramètres. Des revues bibliographiques des différentes méthodes d’analyse de sensibilité ont été effectuées par plusieurs auteurs (Christopher Frey and Patil, 2002; Hamby, 1994; Iooss, 2011). Les méthodes sont généralement classées en 3 catégories selon leurs approches:
– les méthodes de criblage (ou « screening ») qui permettent d’avoir un premier aperçu des paramètres influents ;
– les méthodes locales qui permettent de quantifier et/ou d’avoir une vue qualitative sur les effets individuels d’un paramètre ;
– et les méthodes globales qui permettent de quantifier tous les effets des paramètres, que ce soit de manière individuelle ou en interaction.
A partir des caractéristiques des différentes méthodes décrites dans la littérature, une synthèse des différentes méthodes d’analyse de sensibilité selon le modèle étudié, ainsi que le nombre d’évaluations que nécessite le calcul de l’indice, d’après Iooss (2011) est représenté sur la Figure 13. Afin de justifier le choix d’une ou de plusieurs méthodes appropriées au cas étudié, la suite de cette partie détaille les différentes méthodes existantes parmi les catégories de méthodes précédemment citées.

La vie en service et les caractéristiques du béton de chanvre

     Dans les ACV du matériau de chanvre-chaux, l’hypothèse d’une durée de vie typique de 100 ans a été retenue par Boutin et al (2006) et Ip (2012). Pendant cette durée de vie Pretot et al (2014) font l’hypothèse que l’enduit extérieur du béton de chanvre est renouvelé deux fois, tandis que l’enduit intérieur est renouvelé une fois. Parmi les ACV ou de caractérisation du matériau chanvre-chaux déjà réalisées, nous n’avons pas trouvé de référence sur le vieillissement du matériau, ou sur le changement de ses caractéristiques avec le temps. Cependant, nous avons trouvé des liens entre les différentes caractéristiques physiques, thermiques, hydriques et les méthodes de mise en œuvre du matériau. Nous résumons dans ce qui suit ces différentes propriétés du matériau de chanvre-chaux utilisé comme isolation thermique dans le bâtiment.
La masse volumique du matériau : Comme vue précédemment, différentes formulations et procédés de mise en œuvre du béton de chanvre existent. La masse volumique d’un béton de chanvre d’une même formulation est très variable. Pour le béton de chanvre projeté, les travaux de Elfordy et al (2008) ont montré que la masse volumique est fonction de la distance de projection et peut varier entre 417 et 551 kg.m -3. Pour le chanvre malaxé, la masse volumique peut varier entre 348 à 476 kg.m-3 (Cérézo 2005). Lors de la vie en service, cette masse volumique varie également avec la teneur en eau de l’environnement du matériau.
La porosité : Le matériau chanvre-chaux est un matériau très poreux où trois types de pores peuvent coexister (Evrard & Herde 2010) : (i) méso porosité autour de 0,1-1 µm : présent dans la matrice, la chaux (ii) microporosité autour de 10 µm : présent dans la chènevotte (iii) macroporosité autour de 1 à 10 mm : présent dans l’assemblage, l’air au niveau de l’interconnexion des chènevottes et du liant. La porosité totale du matériau chanvre chaux est de l’ordre de 65-70 % (Evrard 2008; Collet et al. 2008).
La conductivité thermique : C’est l’une des propriétés les plus importantes du béton de chanvre. Elle représente le caractère d’isolation thermique du matériau, car elle caractérise la quantité de flux de chaleur transmis pour 1 m d’épaisseur de matériaux de 1 m2 pour une différence de température de 1°K. Elfordy et al.(2008) rapportent une variation importante de 0,179-0,542 W.m-1.K-1 pour le béton obtenu par projection. Pour le béton de chanvre malaxé cette variation est plus faible, Cérézo (2005) rapporte une variation similaire de 0,06-0,19 W.m-1.K-1 pour un matériau de masse volumique variant entre 400 à 700 kg.m-3.
La chaleur spécifique : Cette propriété représente la quantité d’énergie nécessaire pour réchauffer un kilogramme de matériau à 1°K. Evrard (2008, 2006) rapporte une chaleur spécifique de l’ordre de 1560 ± 30 pour la formulation mur. La chaleur spécifique du matériau de chanvre est de l’ordre de 1000 pour un béton de 413 kg.m-3 selon Le (2010). Tandis que Pierre et Colinart (2011) rapportent une chaleur spécifique très variable de l’ordre de 851 à 2500 J.kg-1.K-1 pour le béton de chanvre projeté.
La diffusivité hydrique : La diffusivité hydrique est une analogie à la diffusivité de chaleur, il mesure la capacité de diffusion de liquide du matériau par rapport à un gradient de teneur en eau (respectivement d’humidité relative). Evrard (2006) rapporte une diffusivité de l’ordre de 8.10-8 à 2.10-10 m2s-1 pour un béton de chanvre de densité de 480 kg.m-3

La perméabilité à la vapeur

      Ce paramètre représente la masse de vapeur d’eau qui pénètre un mètre d’épaisseur de matériaux (1 m2) pendant une seconde pour une pression de 1 Pa. Elle peut être calculée à partir de la perméabilité à la vapeur d’eau de l’air et du nombre de résistances à la vapeur qui définit la perméabilité du matériau étudié par rapport à l’air. Ce paramètre doit toujours être inférieur à celui de l’air pour un matériau solide. Sa valeur pour le béton de chanvre est très variable dans la littérature, elle va de 1,55 10-11 à 7,69 10-11 kg.m-1.s-1.Pa-1 (Evrard et al. 2006; Evrard 2008; Tran Le et al. 2010). Nous remarquons que les différentes propriétés du matériau sont très variables lors de sa vie en service, car elles peuvent varier avec l’environnement dans lequel se trouve le matériau et plus précisément avec l’humidité environnante.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I Etat de l’art
I.1 Introduction
I.2 Les approches d’éco-conception
I.2.1 Les outils qualitatifs
I.2.1.1 Les « checklists »
I.2.1.2 « Material exclusions list »
I.2.1.3 Les « guidelines »
I.2.2 Les outils quantitatifs
I.2.2.1 L’analyse de cycle de vie (ACV) et ACV simplifiée
I.2.2.2 “Material intensity per unit of service” – MIPS
I.2.2.3 “Material flow analysis” – MFA
I.2.2.4 “Material, energy and toxicity matrix”– MET
I.2.2.5 “Cumulative energy demand “– CED
I.2.2.6 “Ecological footprint “ – EF
I.2.3 Synthèse sur les approches d’éco-conception
I.3 Rappels sur l’Analyse de Cycle de Vie
I.3.1 La définition des objectifs et du champ d’étude
I.3.1.1 L’unité fonctionnelle
I.3.1.2 Les règles d’allocation
I.3.1.3 Les frontières de l’étude
I.3.2 L’inventaire de cycle de vie
I.3.3 L’évaluation des impacts
I.3.3.1 Sélection des catégories d’impact, indicateurs de catégories et modèles de caractérisation
I.3.3.2 Calcul des résultats d’indicateur de catégorie
I.3.3.3 Limites et autres caractéristiques de l’étape d’évaluation de l’impact
I.3.4 L’interprétation des résultats
I.3.5 La qualité des données en ACV
I.3.6 Les limites de l’ACV
I.3.7 Méta-ACV et modèles d’inventaires paramétrés
I.4 L’analyse de sensibilité
I.4.1 Introduction
I.4.2 Généralités sur l’Analyse de Sensibilité
I.4.3 Les méthodes de criblage (ou screening)
I.4.3.1 La méthode des plans factoriels complet
I.4.3.2 La méthode des plans factoriels fractionnaires
I.4.3.3 La méthode de Morris
I.4.4 Méthode d’analyse de sensibilité globale
I.4.4.1 Caractérisation des différents paramètres d’entrée
I.4.4.2 Échantillonnage des paramètres d’entrée
I.4.4.3 Réalisation de la campagne expérimentale
I.4.4.4 Calcul des indices de sensibilité
I.4.4.5 Analyses de sensibilité par régression
I.4.4.6 La méthode de sensibilité par les indices de Sobol
I.4.4.7 La méthode de sensibilité FAST (Fourier Amplitude Sensitivity Test)
I.4.5 Synthèse sur l’Analyse de Sensibilité
I.4.5.1 Comparaison et choix des méthodes
I.4.5.1 Cohérences des méthodes de Morris et Sobol
I.5 Synthèse de l’étude bibliographique
Chapitre II Proposition de la méthodologie d’éco-conception 
II.1 Introduction
II.2 Etape I : Définition du système, des sous-systèmes et des objectifs
II.3 Etape II : Calcul de l’inventaire et évaluation des impacts du cycle de vie
II.3.1 Identification des sous-systèmes de premier et arrière-plans
II.3.2 Les calculs d’inventaires
II.3.2.1 Premier-plan : inventaires par modélisation
II.3.2.2 Arrière-plan : inventaires par bases de données
II.3.2.3 Calcul de l’inventaire total
II.3.2.4 Les modèles d’allocations
II.3.3 Evaluation des impacts du cycle de vie
II.4 Etape III : Collecte et identification des paramètres
II.4.1 Identification des données d’entrée par sous-système
II.4.1.1 Collecte des informations sur la variation des différents paramètres
II.4.1.2 Caractérisation de la variabilité des différents paramètres
II.4.2 Définition d’une typologie des paramètres par une classification opérationnelle
II.5 Etape IV : Analyse de sensibilité
II.5.1 Les étapes générales de l’analyse de sensibilité (Couplage ACV et AS)
II.5.1.1 Influences des sous-systèmes
II.5.1.2 Influences des types de paramètres
II.5.1.3 Influences individuelles des paramètres
II.5.2 Etape IV-a : Analyse qualitative (Criblage) par la méthode de Morris
II.5.3 Etape IV-b : Analyse quantitative par la méthode de Sobol
II.6 Etape V : Interprétation des résultats
II.6.1 Les résultats d’analyse de sensibilité
II.6.1.1 Les indices de Morris
II.6.1.2 Les indices de Sobol
II.6.2 Utilisation des résultats pour identifier les scénarii d’éco-conception
II.6.2.1 Comparaison scénario par défaut/scénario technologique favorable
II.6.2.2 Scénarios pour l’éco-conception
II.7 Conclusion
Chapitre III Application à l’étude du cycle de vie du béton de chanvre
III.1 Introduction
III.2 Etude bibliographique sur le béton de chanvre
III.2.1 Un matériau bio-sourcé
III.2.2 Le cycle de vie du béton de chanvre
III.2.2.1 L’agriculture du chanvre
III.2.2.2 Transformation de la paille de chanvre
III.2.2.3 La vie en service et les caractéristiques du béton de chanvre
III.2.2.4 La fin de vie du béton de chanvre
III.2.3 Revue sur l’ACV du chanvre
III.2.3.1 Définition des objectifs et du champ d’étude
III.2.3.2 L’inventaire de cycle de vie
III.2.3.3 La phase de caractérisation des impacts
III.3 ACV/AS de la production du chanvre : acteur agricole
III.3.1 Introduction
III.3.2 Détails additionnels concernant la modélisation
III.3.3 Discussion sur l’étude du sous système agricole du chanvre
III.3.4 Sensitivity analysis of environmental process modeling in a life cycle context – a case study of hemp crop production
III.4 Acteurs industriel et constructeur : ACV/AS de la transformation du chanvre
III.4.1 Introduction
III.4.2 Détails additionnels
III.4.3 Discussion sur l’étude du sous-système de transformation primaire et secondaire
III.4.4 A systematic methodology for sensitivity analysis in life cycle thinking context applied to hemp-based insulation products for buildings
III.5 Acteurs concepteur/utilisateur : ACV/AS de l’utilisation du béton de chanvre
III.5.1 Introduction
III.5.2 Etude préliminaire de l’utilisation du béton de chanvre dans le bâtiment et perspectives d’études
III.5.2.1 Etape 1 – Définition du système, des sous-systèmes et des objectifs
III.5.2.2 Etape 2 – Calcul de l’inventaire et évaluation des impacts du cycle de vie
III.5.2.3 Etape 3 : Collecte et identification des paramètres
III.5.2.4 Etape 4 – Analyse de sensibilité
III.5.2.5 Etape 5 – Interprétation des résultats
III.5.3 Discussion sur l’étude du sous-système vie en service
III.5.4 Limites et perspectives
Chapitre IV Discussion générale 
IV.1 Cas d’application traité
IV.2 Méthode proposée
IV.2.1 L’approche développée répond-elle aux objectifs ?
IV.2.2 Quelles sont les caractéristiques de l’approche développée ?
IV.2.3 L’approche développée est-elle applicable en éco-conception ?
Conclusion générale
Références
ANNEXES

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