Evaluation des impacts environnementaux par une ACV Dynamique Spatialisée

Evaluation of environmental impacts by a Dynamic Spatialized LCA

• Auteur / Autrice : Patrice Megange
• Direction : Thien-Phu Le, Amir-Ali Feiz, Pierre Ngae
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance le 14/12/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique et d'Energétique de l'université d'Evry (Evry, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université d'Évry-Val-d'Essonne (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Anne Ventura
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thien-Phu Le, Adélaïde Feraille, Patrick Rousseaux, Lionel Soulhac, Amer Chpoun
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Adélaïde Feraille, Patrick Rousseaux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Environnement -- Études d'impact

Analyse du cycle de vie

Mots clés libres

Couplage

Espa

Modèle de dispersion atmosphérique

USEtox

Analyse du Cycle de Vie Dynamique Spatialisée

Coupling

Espa

Atmospheric dispersion model

USEtox

Dynamic Spatialized LCA

Résumé

L'Analyse du Cycle de Vie (ACV) est une approche d'analyse environnementale holistique qui, au XXIème siècle, fait l'unanimité pour l'évaluation des impacts écologiques potentiels de produits, systèmes ou procédés. Des études sur la disponibilité et la fiabilité des données utilisées ont montré que certaines incertitudes générées lors de ces évaluations environnementales fragilisaient la robustesse des résultats ainsi que la chaine d'analyse. Pour y remédier, des études récentes préconisent l'introduction de spécificités spatio-temporelles où des solutions telles que l'Analyse du Cycle de Vie Dynamique ou l'Analyse du Cycle de Vie Régionalisée ont démontré leur pertinence. Ces méthodes d'ACV présentent cependant quelques limites d'opérationnalité et de polyvalence.L'objectif de cette thèse est de développer un outil fiable et conceptualisé permettant d'optimiser l'ACV lors de l'évaluation d'impacts locaux tels que la toxicité humaine par inhalation. Le dispositif mis en œuvre repose sur le couplage d'outils complémentaires intégrants la dynamique des procédés, la cinétique des flux d'émission de polluants et des spécificités spatio-temporelles déterminantes. On aboutit alors à l'élaboration d'un nouveau modèle baptisé l'Analyse du Cycle de Vie Dynamique Site-dépendante (ACVDSd).Les outils qui composent l'ACVDSd sont : (i) ES-PA (Enhanced Structural Path Analysis), une méthode d'Inventaire du Cycle de Vie Dynamique qui, par l'emploi d'une algèbre de distribution, intègre la désagrégation spatiale et temporelle des flux économiques et élémentaires ; (ii) une modélisation gaussienne de la dispersion atmosphérique de polluants qui évalue, en tout point de l'espace et à chaque instant, les concentrations en substances toxiques réceptionnées ; (iii) USEtox, un modèle consensuel pour l'évaluation de l'impact de toxicité humaine et d'écotoxicité.Dans ce travail de recherche une méthodologie a été développée afin de garantir la généricité du modèle. Lors de l'étude d'impact de toxicité humaine, elle s'emploie à optimiser les facteurs de devenir et les facteurs d'absorption par l'intégration de caractéristiques spatiales et temporelles déterminantes. La pollution atmosphérique contribuant à la contamination de milieux tels que les sols et les eaux, cette méthode aura également une incidence bénéfique sur l'évaluation éventuelle d'une écotoxicité dans ces mêmes milieux.Afin d'analyser la viabilité de la méthodologie proposée, une étude de faisabilité est réalisée. Elle consiste en l'observation des résultats d'une évaluation de l'impact de la toxicité humaine en utilisant l'ACVDSd. Le scénario étudié est l'étape de fabrication de fenêtres double vitrage en châssis PVC. Il répond à un programme immobilier et aux attentes de la réglementation environnementale 2020. Afin de généraliser les résultats obtenus avec un modèle de dispersion par panache gaussien, spécifiquement adapté à un terrain plat, un modèle gaussien de transfert-diffusion de bouffées (CALPUFF) est utilisé pour une configuration de terrain accidenté.La précision et les spécificités spatio-temporelles mises en évidence par ce travail de recherche ouvrent plusieurs autres perspectives intéressantes telles que l'hétérogénéité spatiale des populations ou une étude d'impact d'écotoxicité. L'utilisation d'un modèle de dispersion lagrangien peut être envisagée pour l'évaluation d'un impact global tel que le changement climatique.

Life Cycle Assessment (LCA) is a holistic approach to environmental analysis that is widely used in the 21st century to evaluate the potential environmental impacts of products, systems and processes. Studies on the availability and reliability of the data used have shown that uncertainties generated during these environmental assessments reduce the robustness of the results and the analysis chain. To overcome this issue, recent studies recommend the introduction of spatio-temporal specificities where solutions such as Dynamic Life Cycle Assessment or Regionalized Life Cycle Assessment have demonstrated their relevance. However, these LCA methods have some limitations in terms of operationality and versatility.The aim of this thesis is to develop a reliable and conceptualized tool to optimize LCA for assessing local impacts such as human inhalation toxicity. The approach is based on the coupling of complementary tools integrating the dynamics of processes, the pollutant emission kinetics and determinant spatio-temporal specificities. This results in a new method called Site-dependent Dynamic Life Cycle Assessment (ACVDSd).The ACVDSd components are: (i) ESPA (Enhanced Structural Path Analysis), a Dynamic Life Cycle Inventory method to integrate the spatial and temporal disaggregation of economic and elemental flows with distribution algebra,; (ii) a Gaussian modeling of pollutants atmospheric dispersion to evaluate the concentrations of received toxic substances; (iii) USEtox, a consensus model for the evaluation of the human toxicity and ecotoxicity impact.In this research work a methodology was developed to ensure the genericity of the model. Applied to the impact of human toxicity, it aims to optimize the fate and absorption factors by integrating relevant spatial and temporal characteristics. As air pollution contributes to the contamination of environments such as soils and waters, this method will also have a beneficial impact on the possible evaluation of ecotoxicity in these same environments.In order to analyze the viability of the proposed methodology, a feasibility study is performed. It consists in the observation from results of a human toxicity impact assessment using the ACVDSd. The studied scenario is the manufacturing stage of double glazing windows in PVC frame. It addresses to a real estate program and the expectations of the Environmental Regulation 2020. In order to generalize the results obtained with a classical Gaussian dispersion model, specifically adapted for a flat terrain, a Gaussian puff transfer-diffusion model (CALPUFF) is used for a rough terrain configuration.The accuracy and the spatio-temporal specificities highlighted by this research work open several other interesting perspectives such as the spatial heterogeneity of populations or an ecotoxicity impact study. The use of a Lagrangian dispersion model can be considered for the evaluation of a global impact such as climate change.