Soutenance mémoire
Définition des buts et du cadre de l’étude
L’exposé du but d’une ACV doit clairement déterminer les applications prévues, les raisons qui ont poussé à mener l’étude et le public auquel elle se destine, à qui les résultats seront communiqués. Le cadre d’une étude lui, doit être suffisamment bien défini pour s’assurer que l’ampleur, la profondeur et le niveau de détail de l’étude permettent de répondre aux buts fixés. La définition du cadre de l’étude doit comprendre une description claire de ces éléments [ISO, 2006]:
– Les fonctions du système ou des systèmes étudiés
– L’unité fonctionnelle
– Le système en lui-même
– Les procédures d’allocation mises en œuvre
– Les types d’impact considérés et la méthodologie utilisée pour les caractériser, ainsi que les interprétations qu’elle nécessitera
– Les données nécessaires
– Les hypothèses faites
– Les limites de l’étude
– Les nécessités en termes de qualité des données initiales
– Le type d’examen critique qu’il peut être nécessaire de mener
– Le type et le format de rapport qui doit être établi pour cette étude
L’unité fonctionnelle permet de quantifier l’efficacité du système vis-à-vis de son utilité. Elle doit être clairement définie et mesurable en terme de produit, de service fournis et de durée sur laquelle ce service est rendu. Elle sert de référence afin de déterminer les flux entrant et sortant du système, et est fondamentale pour assurer la compatibilité des résultats fournis par l’ACV, notamment en cas d’étude comparative de plusieurs systèmes. Le système doit aussi être clairement défini en termes de frontières : cette définition détermine quels procédés seront inclus dans l’étude. Elles dépendront : de l’application prévue à l’étude, des hypothèses faites, des critères de limites choisis, des contraintes liées aux données et aux coûts, et du public à qui est destinée l’étude. Les critères utilisés pour cette définition doivent être identifiés et justifiés dans l’énoncé du cadre de l’étude. Les choix des intrants et sortants, les niveaux d’agrégation dans une catégorie de données et la modélisation du système (qui doit faire en sorte que les flux entrants, sortants et les frontières du système soient des flux élémentaires) doivent être en cohérence avec les buts de l’étude. En accord avec les buts et le cadre de l’étude, on définit les objectifs et impératifs concernant la qualité des données utilisées, ainsi que leurs caractéristiques. Elles doivent concerner [ISO, 2006] :
– La notion de couverture temporelle
– La notion de couverture géographique
– Celle d’une couverture technologique
– La précision, la représentativité et la complétude des données
– La consistance et la reproductibilité des méthodes utilisées au cours de l’ACV
– Les sources d’où sont tirées les données, et leur représentativité
– Les incertitudes liées aux informations fournies.
Lors d’une étude comparative, différents systèmes doivent être comparés sur la base d’une même unité fonctionnelle et d’une même méthodologie, ainsi que sur des exigences similaires (en termes de qualité des données notamment).
Le quartier : typologie et composition
Le modèle d’ACV concernant le système quartier a pour but de permettre l’évaluation des impacts environnementaux d’un projet de quartier, ce afin de mieux comprendre les liens entre conception et impacts, en vue de les minimiser par l’élaboration de différentes variantes. Il prend en compte [Popovici, 2006] :
– La construction du quartier et la production de ses éléments constitutifs
– L’utilisation du quartier (des bâtiments, des infrastructures,…)
– Sa rénovation, les différentes opérations qui peuvent être menées
– Sa démolition et la gestion des déchets en découlant
La fonction du système étudié par le modèle dépendra de la définition que l’utilisateur en fera. Il faudra néanmoins conserver lors de la comparaison de deux variantes des fonctions semblables. Ainsi l’unité fonctionnelle d’un quartier est définie par :
– Une quantité (soit ici un nombre d’occupants)
– Des fonctions assurées par le quartier (logement, bâtiments tertiaires, mixtes…)
– Une qualité de fonctionnement (niveau de confort : consignes de températures données, luminosité intérieure suffisante, ventilation, accès aux transports en commun…)
– Un temps (la durée de vie supposée d’un quartier neuf, prise par défaut à 100 ans)
Il est important de remarquer que la durée de vie des bâtiments constituant un quartier peut différer d’un bâtiment à l’autre, et qu’elle peut elle-même ne pas être celle du quartier dans sa globalité. Il peut être donc plus intéressant d’utiliser la notion de durée d’analyse du quartier, plutôt que celle de durée de vie qui peut être difficile à appréhender. Les frontières du système sont elles aussi soumises aux choix de l’utilisateur, et plus particulièrement au type d’étude menée, et à son but. Par exemple, si le but de l’étude est de comparer deux différents sites pour l’implantation d’un quartier neuf, il est important de prendre en compte les impacts liés aux transports, qui peuvent être influencés de façon notable par le choix géographique. En revanche si le site est fixé et que le but de l’étude est de comparer différentes variantes de conception du quartier, ces aspects peuvent être négligés. Deux différents types de frontières du système ont été définies [Popovici, 2006] :
– Une première frontière « physique », qui sera considérée comme incluant tous les éléments physiques du système (bâtiments, rues, jardins, parcs, réseaux,…)
– Une frontière plus large des « flux ». Celle-ci permet de prendre en compte les procédés amont et aval qui sont considérés dans le système (production d’énergie, d’eau, fabrication et transport des matériaux, traitement des déchets…), et d’exclure ceux qui ne le seront pas. Le système et ses frontières peuvent donc être représentés selon le schéma suivant : Les infrastructures qui interviennent dans la production des éléments du quartier, dans la production d’énergie, d’eau, le transport des matériaux seront prises en compte dans le calcul des inventaires et impacts, à l’instar de ce qui se fait dans la base de données Ecoinvent *Frischknecht & al, 2004+, ce afin d’assurer la rigueur de l’analyse (ainsi dans le cas de l’installation au sein du système d’un dispositif de production d’énergie, comme par exemple des panneaux photovoltaïques, la prise en compte des infrastructures nécessaires à la production d’électricité « classique » est nécessaire à l’évaluation des impacts des deux alternatives). Les phases de l’ACV du quartier peuvent donc être résumées selon le schéma suivant, les flèches entre les cases montrant une progression chronologique : Pour établir l’inventaire, nous avons utilisé la base de données Ecoinvent, complétée par différentes sources alternatives, notamment des données statistiques venant de l’ADEME *ADEME & al, 2002+ et des données venant d’ACV, pour les routes et rues *Peuportier, 2003+, pour les réseaux d’alimentation en eau *Dennison & al, 1999+ et pour les réseaux de chaleur *Froling & al, 2004+. Un quartier comporte un grand nombre de sous systèmes, notamment dans la phase de construction. Afin de simplifier le modèle, ceux-ci ont été classés en trois grandes catégories :
– Les matériaux, correspondant aux matériaux de base non décomposables (briques, bois, sable, eau, gravier…)
– Les composants, éléments assemblés en usine (tuyaux d’eau, fenêtres, portes, panneaux d’isolation…)
– Les assemblages, des composants plus grands ne pouvant pas être entièrement assemblés en usine (murs, fondations, rues, réseaux…)
Ces éléments constituent les composants élémentaires tels que considérés dans la description de la structure physique du quartier. Ils seront agrégés en fonction des caractéristiques des éléments considérés (bâtiments, routes, espaces verts,…). Le fonctionnement spécifique du système quartier implique, pour chaque phase de son cycle de vie, la prise en compte des procédés liés. Pour la phase de construction, les procédés élémentaires de production des matériaux, des composants, et des assemblages, ainsi que leur transport, tel que schématisés ainsi : Les déchets produits ici correspondent aux surplus de production des matériaux, le transport peut lui être effectué selon quatre modes de transport (camion, train, bateau et avion). La phase d’utilisation du quartier peut se décomposer ainsi : On voit ici apparaître des procédés qui peuvent encore être décomposés, et nécessitent une description détaillée. Ainsi la production d’électricité se décompose selon les différents modes de production de cette dernière : De même la production d’eau chaude sanitaire peut dépendre des différentes solutions mises en œuvre : De même le chauffage globalement mis en œuvre dans le quartier sera une agrégation de différentes options particulières, possiblement variables de façon saisonnière : L’utilisation du quartier comprend aussi tout ce qui consiste en l’utilisation des espaces publics, auxquels il est possible par exemple d’appliquer des critères spécifiques (un mix électrique particulier s’il y a recours au photovoltaïque,…). La phase de rénovation, correspondant au remplacement des éléments à durée de vie inférieure à celle considérée pour le quartier, se décompose tel que présenté dans le schéma ci-dessous. Chacune de ces phases implique donc la génération de déchets qui peuvent être, selon le choix de l’utilisateur, incinérés, mis en décharge ou recyclés (dans le cas des réseaux d’eau le recyclage est la seule option disponible, la pratique étant aujourd’hui banale). Le recyclage des composants d’un assemblage est permis par le modèle, mais reste complexe. Il intervient de façon prédominante dans la phase de destruction du quartier, elle-même fortement génératrice de déchets. L’analyse de celle-ci se limite à certains aspects du problème (les nuisances créées dans le voisinage par exemple ne peuvent pas être prises en compte de façon simple dans une ACV), principalement celui du traitement des déchets résultants. Elle se schématise ainsi : Le recyclage des déchets peut permettre de limiter dans de nombreux cas les impacts environnementaux en évitant un procédé de traitement et la production de nouveaux produits. Ce recyclage peut être de deux types : en boucle fermée, où le matériau est réutilisable pour le même usage dans un état similaire, ou en boucle ouverte, où le matériau, souvent composite, ne peut pas être réutilisé tel quel (comme le béton par exemple). Polster [Polster, 1995] a modélisé le recyclage de matériaux de construction dans le cas d’un bâtiment, cette méthode étant considérée comme valable dans le cas d’un quartier, et sera utilisée ici. Cette décomposition des différentes phases du cycle de vie en procédés élémentaires, valide si on considère le quartier dans sa globalité, concerne aussi chacun des éléments qui vont le composer. Ces éléments possèdent des spécificités de fonctionnement, qu’il est nécessaire de prendre en compte. Selon le type d’élément considéré (bâtiment, espaces extérieurs, réseaux), divers aspects caractéristiques de ceux-ci (composition, fonctionnement) devront être pris en compte dans la simulation.
Production et consommation d’énergie dans les bâtiments et les quartiers : cadre et solutions
La conception des bâtiments prend de plus en plus en compte la dimension énergétique et environnementale, ce principalement sous deux angles différents. Le premier concerne la consommation d’énergie, et sa diminution, le second est lié au mode de production. En termes de maîtrise de la demande, le premier aspect considéré ici est celui de la morphologie du bâtiment, de sa forme, de sa compacité, du choix des matériaux utilisés. Cette dimension permet de fortement influer sur les besoins de chauffage et de climatisation permettant d’assurer une consigne de température imposée. Cet aspect fait l’objet de nombreuses études et de travaux de simulation qui ont été répertoriés [EERE, 2008] (citons par exemple TRNSYS, COMFIE, ESP-r, DOE-2, Energy Plus, Spark, Energy 10), permettant d’analyser et de déterminer, à des degrés de détail temporel divers, le comportement d’un bâtiment. Sont aussi considérées les technologies permettant d’optimiser la fourniture d’énergie au bâtiment, ainsi que son comportement. On citera ici par exemple les pompes à chaleur, les dispositifs de récupération d’énergie (ventilation double flux), ou de préchauffage de l’air ventilé (puits climatique). De même des dispositifs de régulation du fonctionnement de ces différents systèmes, et de gestion du comportement du bâtiment, contribuent à la réduction de la consommation en énergie (directement liée à la production) liée au fonctionnement du bâtiment. L’autre aspect clé de la dimension environnementale de notre problème est lié au mode de production de l’énergie consommée. Comme on l’a vu, une grande partie de l’énergie mobilisée est issue de la production d’électricité, qui dépend d’une gestion complexe d’un parc de centrales de production de différents types. La fourniture d’énergie peut néanmoins être assurée par d’autres alternatives, moins globalisées. Ainsi les besoins de chauffage ou en eau chaude sanitaire d’un bâtiment peuvent être assurés par une chaudière au gaz, au fioul ou au bois, par le raccordement à un réseau de chaleur urbain, la géothermie ou des panneaux solaires thermiques. A l’échelle d’un quartier, différents types de chaufferie collectives peuvent être considérées. La production d’électricité tend elle aussi à se diversifier. Ainsi, comme mis en évidence sur la figure suivante, la production éolienne et photovoltaïque gagne en importance. Ces deux modes de production sont contraints par un comportement physique spécifique, lié aux conditions climatiques, impliquant une intermittence forte et des contraintes de production qui doivent être prises en compte. Le photovoltaïque peut quant à lui constituer un système intégré au bâtiment, et représenter une solution localisée de production d’énergie. De la même façon le développement de la cogénération et de la micro-cogénération modifie les caractéristiques de production de l’électricité. L’ensemble de ces aspects complexifie l’étude des aspects énergétiques et environnementaux des bâtiments et des quartiers. Chacun des éléments constituant le système à étudier, interagissant avec un grand nombre d’autres éléments, possède ses lois et caractéristiques de comportement propres, qui influeront sur le bilan global du système. L’émergence de solutions énergétiques localisées, ainsi que le concept de bâtiment à énergie positive rendent fondamentale l’étude précise des comportements des différents systèmes. L’importance de l’électricité et la complexité du fonctionnement des infrastructures qui y sont liées motivent le développement des aspects dynamiques du modèle développé ici.
Prise en compte des importations/exportations, analyse des données modifiées
Dans le cadre de notre modèle, les importations/exportations sont intégrées en modifiant les courbes obtenues à partir des données RTE, afin de permettre notamment l’obtention de courbes modélisant la production en fonction de la température et du temps. Notre étude reposant sur trois principaux modes de production, plusieurs variantes d’affectation des exportations/importations ont été établies, sur la base d’hypothèses portant sur les mécanismes mis en jeu. Dans tous les cas, les exportations d’électricité sont retranchées, au prorata des productions considérées par RTE, à l’hydraulique et au nucléaire, en considérant que ces échanges se font sur des bases contractuelles, à volume de production constant, et qu’elles ne mobilisent donc que les modes de production « en base » (cette hypothèse s’appuie sur le caractère régulier au cours de l’année du volume d’exportation, cf annexe). Ainsi les variantes portent sur l’affectation des importations. Les cas étudiés sont :
Variante 1 : Les importations sont supposées correspondre à des appels ponctuels et de pointe d’énergie, cette variante considèrera donc qu’elles sont ajoutées à la production thermique.
Variante 2 : Les importations sont réparties sur les trois modes de production en fonction du mix moyen européen simplifié (cf supra), la production entrant dans la catégorie « autres » étant additionnée à la catégorie « hydraulique ».
Variante 3 : Les importations, considérées séparément selon les pays concernés, et sont réparties sur les trois modes de production en fonction du mix simplifié de chacun de ceux-ci (cf supra). La production entrant dans la catégorie « autres » étant additionnée à la catégorie « hydraulique ».
Variante 4 : Les importations sont ici réparties selon des hypothèses différenciées selon les pays : les importations venant de Suisse sont affectées à l’hydraulique, compte tenu du mix Suisse majoritairement constitué de ce mode de production, les importations issues des autres pays étant affectées à la production thermique.
Variante 5 : Les importations sont réparties selon des hypothèses différenciées selon les pays : les importations venant de Suisse sont affectées au nucléaire, en considérant qu’elles sont issues du stockage par STEP des importations Suisses en provenance de France, considérées ici comme majoritairement issues d’une production nucléaire. Les importations issues des autres pays sont affectées à la production thermique
|
Table des matières
Introduction
I Modélisation multi-échelle
I-1 L’Analyse de Cycle de Vie (ACV)
I-1-1 Définition des buts et du cadre de l’étude
I-1-2 Détermination et analyse de l’Inventaire de Cycle de Vie (ICV)
I-1-3 Analyse de l’Impact du Cycle de Vie (AICV)
I-1-4 Interprétation des résultats
I-2 Description du système
I-2-1 Le quartier : typologie et composition
I-2-2 Principaux éléments constitutifs du quartier : description, simulation
I-3 Hypothèses
I-3-1 Construction
I-3-2 Utilisation
I-3-3 Rénovation
I-3-4 Démolition
I-4 Indicateurs
I-4-1 Catégories d’impacts, méthodes existantes
I-4-2 La méthode CML
I-4-3 La méthode Eco-Indicator
I-4-3 Cas du quartier : indicateurs spécifiques à l’usage des sols
I-4-4 Indicateurs : interprétation et normalisation
II Modélisation des aspects temporels
II-1 L’électricité dans le bâtiment : contexte et enjeux
II-1-1 Contexte, chiffres et généralités
II-1-2 Production et consommation d’énergie dans les bâtiments et les quartiers : cadre et solutions
II-1-3 Enjeux
II-2 Modélisation, caractérisation de la production
II-2-1 Données RTE, traitement
II-2-2 Caractérisation des données
II-2-3 Validation
II-2-4 Valorisation des résultats, lien avec les usages et leurs impacts
II-3 Prise en compte des importations/exportations
II-3-1 Contexte et caractéristiques des échanges
II-3-2 Prise en compte des importations/exportations, analyse des données modifiées
II-3-3 Modélisation des données modifiées
Limites, perspectives et conclusions
III Collecte des données
III-1 Bases de données
III-1-1 Bases de données disponibles
III-1-2 Bases de données internationales
III-1-3 Données nationales
III-2 Paramètres systémiques
III-2-1 Paramètres liés à la simulation thermique d’un bâtiment
III-2-2 Paramètre systémiques d’ACV à l’échelle du bâtiment
III-2-3 Paramètres systémiques d’ACV à l’échelle du quartier
III-3 Problématique de réduction d’inventaires
III-3-1 Simplification d’inventaires, méthodologie et analyse
Conclusions, perspectives
IV Mise en œuvre de l’ACV dynamique
IV-1 Description des outils
IV-1-1 La simulation thermique dynamique du bâtiment : PLEIADE+COMFIE et le modeleur ALCYONE
IV-1-2 L’ACV des bâtiments : EQUER
IV-1-2 L’ACV des quartiers : ARIADNE
IV-2 ACV horaire, lien avec la température
IV-2-1 Adaptation de la modélisation à l’outil
IV-2-2 Interprétation des courbes : lien production-température, variabilité temporelle
IV-2-3 Implémentation : allocation des impacts en fonction du temps
IV-3 Test du modèle sur un cas simple
IV-3-1 Description du bâtiment modélisé
IV-3-2 Paramètres de calcul
IV-3-3 Résultats et interprétation
Conclusion
V Etude de cas
V-1 Description du projet
V-1-1 Référence considérées pour les meilleurs pratiques : le quartier Vauban
V-1-2 Le cluster Descartes
V-2 Etude, cas considérés, implémentation
V-2-1 Saisie graphique
V-2-2 Simulation thermique dynamique
V-2-3 ACV
V-3 Résultats
V-3-1 Résultats de la simulation thermique dynamique
V-3-2 Résultats d’ACV
Conclusion
Conclusions et perspectives
Références
Annexes
Télécharger le rapport complet
