Chapitre 2. Modélisation environnementale des bâtiments
2.4. Description des cas d’étude
2.4.2. ACV des cas d’étude
2.4.2.1.
Définition des objectifs
L’objectif de cette ACV est d’étudier la conception d’une maison individuelle située au Bourget- du-Lac. Plusieurs alternatives sont comparées (maisons IBB, IDM et IOB, et énergies électricité – avec ou sans PAC –, gaz et bois), afin de déterminer la variante la plus durable. Dans un objectif de conception, une approche orientée conséquentielle est préférée, puisqu’elle permet d’évaluer les effets des décisions prises en conception sur le système et son contexte. Le cadre méthodologique de l’approche « conséquentielle-projet », proposé par Roux (2016), est suivi dans cette étude. En particulier :
- Un bilan différencié entre les phases du cycle de vie (captage de CO2 en phase de
fabrication et émission en fin de vie) est réalisé pour le carbone biogénique afin de tenir compte de la provenance du bois (forêt bien gérée ou non) et de son mode d’élimination (incinération, décharge ou recyclage).
- La méthode des impacts évités est utilisée pour les produits de premier plan : matériaux recyclés, ou valorisés en fin de vie, car le concepteur a un levier d’action sur ces produits.
Des technologies moyennes sont prises en compte dans un premier temps pour les procédés utilisés au cours de la vie du bâtiment. Dans un second temps, des technologies marginales sont considérées pour la production d’électricité afin de mieux correspondre à la philosophie de l’approche « conséquentielle-projet ».
L’unité fonctionnelle retenue est une maison individuelle de 90 m² étudiée sur 80 ans45. Cette
maison est occupée par une famille typique, correspondant à l’occupation moyenne en France pour une maison possédant quatre pièces principales.
Dans cette étude, les frontières du système correspondent à l’enveloppe et aux réseaux et systèmes nécessaires à son utilisation. Nous considérons le cycle de vie complet du bâtiment, en incluant les matériaux de construction, leur fabrication et leur transport jusqu’au site, leur éventuel remplacement au cours de la vie du bâtiment ainsi que leur élimination. Concernant la phase d’utilisation du bâtiment, les consommations d’énergie et d’eau sont prises en compte, ainsi que les équipements nécessaires à son utilisation (réseau de transport d’électricité et d’eau). En revanche, le transport des occupants et les déchets ménagers produits en phase d’utilisation n’ont pas été inclus à cette étude. En effet, l’objectif n’est pas de comparer différents sites pour la maison, ni d’étudier les conséquences de l’occupation, mais bien d’étudier les effets des choix de conception du bâtiment.
45
2.4. Description des cas d’étude
2.4.2.2.
ICV
Les hypothèses faites aux différentes phases du cycle de vie sont récapitulées ci-dessous. De plus, en Annexe J, l’ensemble des matériaux et procédés utilisés sont listés et liés à un inventaire de la base de données ecoinvent.
Construction
Lors de la construction des maisons, un surplus de matériau de 5 % est pris en compte pour représenter les pertes à la mise en œuvre. Certains matériaux non considérés lors de l’étude SED, puisqu’ils n’influencent pas la thermique du bâtiment, sont décrits lors de l’ACV ; parmi eux, la charpente, les fondations, le balcon46, les tuyauteries et conduits de ventilation. Certains éléments
tels que l’électricité ou les équipements sanitaires n’ont pas été pris en compte. Dans le béton, les parpaings et la dalle, une armature en acier (représentant 3 % en masse du matériau) est considérée.
Utilisation
En phase d’utilisation, le chauffage et la production d’ECS sont à l’électricité dans la variante de base et dans la variante PAC, mais des options au gaz ou au bois sont aussi explorées. Pour la PAC, un COP moyen annuel de 3 est retenu pour une PAC de 10 kW. Les rendements PCI des systèmes au gaz et au bois sont fixés à 102 % et 75 % respectivement pour une chaudière gaz à condensation modulable d’une puissance inférieure à 100 kW et pour un poêle à bois bûche de 6 kW.
Le mix de production d’électricité retenu en première approche (et utilisé au chapitre 3) correspond à un mix dynamique, variant au pas de temps horaire, et se basant sur les travaux de Herfray (2011). Cinq technologies de production d’électricité sont prises en compte dans cette configuration. Un mix marginal dynamique, se basant sur les travaux de Roux (2016) est utilisé par la suite puisque nous cherchons à évaluer les conséquences de la construction d’un nouveau bâtiment. Quatorze technologies de production d’électricité sont alors retenues.
Le rendement du réseau d’eau est fixé à 80 %. La consommation d’eau totale par occupant est de 137 l par jour dont 34 l d’eau chaude, d’après les données statistiques utilisées dans la thèse de Vorger (2014). Les températures d’eau chaude et froide retenues pour le calcul de la consommation d’eau chaude sont les suivantes : l’eau chaude est à 55°C (température en sortie de ballon ou de chaudière) et étant donnée la latitude du bâtiment, la température de l’eau froide varie de 7,5°C à 16,5°C en fonction du mois.
46
Chapitre 2. Modélisation environnementale des bâtiments Rénovation
Les menuiseries (portes et fenêtres) sont remplacées tous les 30 ans, les surfaces (revêtement de sol, enduit, peinture) tous les 10 ans et les équipements, tous les 20 ans. Un pourcentage de surplus de chantier de 5 % est appliqué à l’ensemble des matériaux remplacés. Au cours des 10 derniers pourcents de la vie du bâtiment, c'est-à-dire à partir de la 72e année, celui-ci n’est plus rénové et ses composants non structurels ne sont plus remplacés.
Fin de vie des matériaux
En première approche nous avons considéré que l’ensemble des matériaux étaient mis en décharge en fin de vie, à l’exception des matériaux issus de la filière bois qui sont incinérés47. Afin
d’affiner cette modélisation, nous reprenons, dans une seconde itération, les fins de vie des matériaux présentées dans Roux (2016) et issues de rapports de l’ADEME (2015c ; 2015d)48
. Les hypothèses sur les fins de vie, qui diffèrent en fonction des types de matériaux, sont regroupées dans le tableau 2-5. Dans certains cas, les matériaux sont valorisés (valorisation énergétique ou matière). Ils évitent alors l’utilisation de matériaux neufs ou d’énergie, et les impacts évités ou générés par cette valorisation sont comptabilisés dans le bilan environnemental conformément au cadre de l’approche conséquentielle-projet.
Tableau 2-5 : Fin de vie des matériaux
Matériaux Fin de vie Impacts évités
Déchets inertes (ADEME, 2015c)
66 % de valorisation matière (remblai routier ou granulats de béton)
Granulats naturels concassés
34 % envoyés en décharge pour déchets inertes - Matériaux bois
(ADEME, 2015d)
43 % de valorisation matière (panneau de particules) Rondin de bois
34 % de valorisation énergétique Gaz naturel
23 % envoyés en décharge pour déchets non dangereux - Autres
combustibles (ADEME, 2015c)
31 % de valorisation énergétique Gaz naturel
69 % envoyés en décharge pour déchets non dangereux -
Plâtre 100 % en centre d’enfouissement non dangereux -
Laine de verre 100 % en centre d’enfouissement non dangereux - Armature acier
(World Steel Association, 2011)
85 % recyclés Acier neuf
15 % mis en décharge pour déchet inerte -
Correspondances avec les données ecoinvent
Les correspondances entre les données environnementales d’ecoinvent et les matériaux et procédés utilisés lors du cycle de vie des maisons INCAS sont précisées en Annexe J. Certaines
47
C’est l’hypothèse de fin de vie prise en compte dans le chapitre 3.
48
2.4. Description des cas d’étude données ecoinvent ont été contextualisées : le mix de production d’électricité initialement retenu suisse ou européen a été remplacé par un mix français ou européen pour mieux correspondre au contexte local, dans le cas où il est plus probable qu’un produit soit fabriqué en France (béton, parpaings…), ou en Europe. Dans le chapitre 3, la contextualisation a été réalisée avec un mix moyen alors qu’un mix marginal dérivé constant (en appliquant un profil de demande constant sur l’année) a été utilisé ensuite.
2.4.2.3.
AICV
Deux jeux d’indicateurs environnementaux sont étudiés. Ils correspondent à ceux présentés dans les tableau 2-1 et tableau 2-2.
Jeu d’indicateurs de la version commerciale de novaEQUER
Les résultats présentés ici sont obtenus en utilisant un mix dynamique horaire, en réalisant une simplification pour les fins de vies (mise en décharge de tous les matériaux sauf ceux issus de la filière bois qui sont incinérés), avec le jeu d’indicateurs disponible dans la version commerciale de novaEQUER (jeu d’indicateurs du tableau 2-1) et en utilisant les données environnementales de la base de données ecoinvent v2.2. Les résultats pour la maison IBB, utilisant l’énergie électrique pour le chauffage et l’ECS, sont présentés à la figure 2-6 ci-après sous la forme d’une analyse de contribution.
Figure 2-6. Analyse de contribution pour la maison IBB, énergie électricité 0 % 10 % 20 % 30 % 40 % 50 % 60 % 70 % 80 % 90 % 100 % Fin de vie Rénovation Usage - Eau Usage - ECS Usage - chauffage Usage - électricité Construction
Chapitre 2. Modélisation environnementale des bâtiments
Ces résultats illustrent l’importance de la phase d’utilisation du bâtiment. Pour tous les indicateurs (sauf la production de déchets), cette phase représente au moins 50 % des impacts. La phase de construction peut représenter jusqu’à 40 % des impacts pour certains indicateurs. Enfin, pour les déchets produits, l’étape de fin de vie est le principal contributeur.
À la figure 2-7, les impacts sont normalisés afin de déterminer l’importance relative des thèmes environnementaux. Cela est réalisé en normalisant les données par rapport à des valeurs moyennes par habitant et par an dans un contexte français ou européen. Les valeurs de normalisation utilisées sont présentées en Annexe K. Notons que ces facteurs ne sont pas tous valables pour la même zone géographique, ni pour la même période temporelle, ce qui constitue une limite à leur utilisation. L’indicateur d’odeur n’ayant pas de données de normalisation, il n’est pas représenté dans la figure 2-7.
Figure 2-7. Résultats normalisés pour la maison IBB, énergie électricité
Dans cette étude, l’énergie et l’eau consommées sont les deux thèmes environnementaux les plus importants. Viennent ensuite la production de déchets radioactifs, la santé humaine et l’épuisement des ressources. Les indicateurs de biodiversité et de formation d’ozone photochimique ont une importante relative moindre.
Jeu d’indicateurs mis à jour
Les résultats présentés dans cette partie sont obtenus en utilisant un mix marginal dérivé, avec le jeu d’indicateurs mis à jour (jeu d’indicateur du tableau 2-2.), en utilisant les données environnementales de la base de données ecoinvent v3.2, et en précisant les hypothèses sur les fins
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Eq u iv al e n t h ab itan t- an n é e (Fr an ce ) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Eq u iv al e n t h ab itan t- an n é e (E u ro p e )
2.4. Description des cas d’étude de vie. L’effet de chacun de ces changements est illustré en Annexe J. Le changement de la base de données induit des écarts parfois importants en terme de valeurs d’impacts, pour certains indicateurs. Ces écarts s’expliquent par des modifications faites dans la base de données ecoinvent (correction dans les données d’inventaire, sur les prix de certains produits – ce qui affecte les allocations, ou encore sur les volumes de production). À chaque nouvelle version de la base, les modifications apportées sont documentées49
. Malgré ces écarts, les contributions relatives des différentes phases, sont similaires. Le passage à un mix marginal dérivé renforce l’importance de la phase d’utilisation. La réalisation d’une contextualisation avec un mix marginal au lieu d’un mix moyen pour les matériaux produits en France, affecte peu les résultats. Finalement, la modélisation affinée des fins de vies contribue à réduire les impacts de cette phase pour la plupart des indicateurs. Les résultats sont présentés ci-après pour les maisons IBB, IDM et IOB, en considérant différentes énergies (électricité avec et sans PAC, gaz et bois).
Analyse de contribution pour la maison IBB
Les résultats de l’analyse de contribution sont présentés à la figure 2-8 pour la maison IBB.
Figure 2-8. Analyse de contribution pour la maison IBB, énergie électricité
La phase d’utilisation est également la plus importante dans cette étude. Elle représente plus de 50 % des impacts pour tous les indicateurs à l’exception de l’usage des sols et des déchets produits.
49 http://www.ecoinvent.org/database/older-versions/ecoinvent-30/report-of-changes-ecoinvent-30/report-of-changes-ecoinvent-30.html http://www.ecoinvent.org/database/older-versions/ecoinvent-31/report-of-changes-ecoinvent-31/report-of-changes-ecoinvent-31.html -20% 0% 20% 40% 60% 80% 100% Fin de vie Rénovation Usage - Eau Usage - ECS Usage - chauffage Usage - électricité Construction
Chapitre 2. Modélisation environnementale des bâtiments
Pour les indicateurs communs aux deux études (effet de serre, énergie, déchets, eau, déchets radioactifs, eutrophisation et acidification), on observe que la contribution de la phase d’utilisation est plus importante dans cette étude que dans la précédente (voir figure 2-6). Cette différence est principalement liée à l’utilisation du mix électrique marginal dérivé (voir Annexe J).
Pour l’indicateur d’usage des sols, c’est la phase de construction qui contribue majoritairement aux impacts. Cela est lié à l’utilisation de matériaux issus de l’exploitation forestière (bois pour portes, charpente et balcon de la maison).
En fin de vie, les valorisations énergétiques et matières ou le recyclage de certains matériaux évitent l’utilisation de matériaux neufs ou d’énergie, ce qui peut se traduire par des impacts négatifs. C’est le cas pour les ressources abiotiques minérales où l’utilisation d’acier recyclé évite l’utilisation d’acier neuf, et pour l’usage des sols pour lesquelles la valorisation matière du bois évite l’utilisation de rondins de bois. Pour l’aire de protection santé humaine, il est possible d’étudier la contribution relative des différents indicateurs aux dommages (figure 2-9).
Figure 2-9. Analyse de contribution pour l’aire de protection santé humain, pour la maison IBB, énergie électricité
Pour la maison en béton banché utilisant l’électricité pour le chauffage et la préparation de l’ECS, l’effet de serre et la toxicité humaine (effets cancérigène et non cancérigènes) contribuent fortement aux dommages à la santé humaine. Il en va de même, dans une moindre mesure, pour les particules fines. 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 D A LY Fin de vie Rénovation Usage - Eau Usage - ECS Usage - chauffage Usage - électricité Construction 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
2.4. Description des cas d’étude Comparaison des trois modes constructifs
Les résultats obtenus pour les trois modes constructifs, utilisant l’énergie électrique (sans PAC), sont comparés. Les résultats sont présentés pour chaque indicateur, dans la figure 2-10. La variante IBB est prise à chaque fois comme référence ; ses impacts valent 100 %. Les impacts des autres variantes sont calculés relativement à ceux de cette variante.
Chapitre 2. Modélisation environnementale des bâtiments
Figure 2-10. Comparaison des variantes constructives (la variante IBB sert de référence, et les impacts des autres variantes sont exprimés relativement à cette variante)
-20 % 0 % 20 % 40 % 60 % 80 % 100 % 120 %
IBB IDM IOB IBB IDM IOB IBB IDM IOB IBB IDM IOB IBB IDM IOB
Chang. clim. Energie Ress. min. Déchets Eau
-20 % 0 % 20 % 40 % 60 % 80 % 100 % 120 %
IBB IDM IOB IBB IDM IOB IBB IDM IOB IBB IDM IOB IBB IDM IOB
Particules fines Ozone Photo. Déchets rad. Radi. ioni. Tox. h
-50 % 0 % 50 % 100 % 150 % 200 % 250 % 300 % 350 %
IBB IDM IOB IBB IDM IOB IBB IDM IOB IBB IDM IOB
Eutroph. Acid. Ecotox. Usage Sols
Fin de vie Rénovation Usage - Eau Usage - ECS Usage - chauffage Usage - électricité Construction
2.4. Description des cas d’étude Pour certains indicateurs, des valeurs négatives sont observées pour la construction ou en fin de vie. Pour obtenir les impacts totaux de la variante, relativement à la variante IBB, il convient alors de retrancher la partie négative au total. Ainsi, dans le cas de l’effet de serre, la maison IOB, qui semble avoir les impacts les plus importants dans la figure 2-10, est la variante la plus favorable.
Pour l’ensemble des indicateurs, à l’exception de l’usage des sols, des tendances similaires sont observées pour les trois modes constructifs. Les impacts en phase d’utilisation des trois variantes sont sensiblement identiques dans les trois maisons. Cela est lié aux harmonisations réalisées sur l’enveloppe du bâtiment qui conduisent à des besoins énergétiques similaires.
En phase de construction, des différences sont observées sur l’indicateur d’effet de serre. Pour la variante IOB, les impacts négatifs s’expliquent par la prise en compte différenciée du carbone biogénique, qui est stocké pendant la croissance du bois. En fin de vie, celui-ci est en partie incinéré avec valorisation énergétique. Le carbone biogénique est alors réémis, ce qui explique la part importante de la fin de vie pour cet indicateur. Le procédé de broyage du bois, nécessaire à la valorisation matière, est également responsable d’une part importante d’émission de gaz à effet de serre en fin de vie.
Pour l’indicateur d’énergie, les impacts en construction sont plus importants pour IOB que pour les deux autres maisons. Cette différence est liée principalement à la prise en compte de l’énergie matière, correspondant au pouvoir calorifique du matériau bois. Pour les déchets produits, la maison IOB a les plus faibles impacts ce qui s’explique par l’envoi d’une partie du bois en décharge pour déchets non inerte non dangereux alors que pour les deux autres maisons, la part des matériaux pondéreux non recyclés est envoyée en décharge pour déchets inertes. De plus, l’impact de ce premier type de mise en décharge est plus important du fait du coût de traitement supérieur. D’autre part, la maison IOB a les impacts les plus faibles sur la toxicité humaine ce qui s’explique par le fait qu’aucun procédé de traitement du bois n’a été considéré ici. Enfin, pour l’indicateur d’usage des sols, la phase de construction contribue majoritairement aux impacts ce qui est lié aux impacts de l’exploitation forestière.
Les valeurs d’impact des différentes variantes sont très proches. L’écart entre les deux meilleures variantes est inférieur à 5 % pour tous les indicateurs sauf pour les déchets. Il est difficile de conclure sur le choix d’une meilleure variante. Pour l’indicateur de déchets produits, la maison IOB a les plus faibles impacts.
Comparaison des quatre énergies
La comparaison des quatre variantes énergétique (pour le chauffage et la production d’ECS) est présentée dans la figure 2-11. La maison IBB a été utilisée comme exemple. Cependant, les mêmes conclusions peuvent êtes faites en considérant les autres maisons, comme le montrent les résultats pour les 12 combinaisons de variantes en Annexe J.
Chapitre 2. Modélisation environnementale des bâtiments
Figure 2-11. Comparaison des variantes énergétiques (la variante électricité sert de référence, et les impacts des autres variantes sont exprimés relativement à cette variante)
-20 % 0 % 20 % 40 % 60 % 80 % 100 % 120 % 140 %
Chang. clim. Energie Ressources Déchets Eau
0 % 20 % 40 % 60 % 80 % 100 % 120 % 140 % 160 % 180 % 200 %
P. fines Ozone Photo. Déchets Rad. Rad. ioni. Tox. h
-50 % 0 % 50 % 100 % 150 % 200 % 250 % 300 %
Eutroph. Acid. Ecotox. Usage Sols
Fin de vie Rénovation Usage - Eau Usage - ECS Usage - chauffage Usage - électricité Construction
2.4. Description des cas d’étude Dans cette comparaison, les procédés en phase d’utilisation du bâtiment sont affectés par le changement de variante. Étant donné que la phase d’utilisation est prépondérante, le choix d’une variante ou d’une autre peut changer significativement les résultats.
Pour dix des indicateurs, la variante électricité (sans PAC) est celle ayant les impacts les plus importants. Pour les ressources minérales, la fabrication et le remplacement de la pompe à chaleur font que la variante avec PAC a des impacts plus importants que la variante sans PAC. Pour l’usage des sols et la formation d’ozone photochimique, les impacts de la variante bois sont très importants devant ceux des autres variantes. Cela s’explique pour l’usage des sols par l’importance des impacts liés à l’exploitation forestière pour la production du bois brûlé dans la chaudière. De plus, la formation d’ozone photochimique est favorisée par les émissions importantes de COV lors de la combustion du bois.
L’utilisation de PAC pour le chauffage et pour l’ECS permet une réduction des impacts, comparée à la variante électrique sans PAC. La variante gaz est souvent préférée : c’est le cas pour onze des indicateurs. Toutefois, l’écart en terme de valeur d’impact avec la 2ème meilleure variante est relativement faible (moins de 5 %) pour cinq indicateurs : l’énergie consommée, l’eau consommée, les déchets radioactifs, les radiations ionisantes et l’usage des sols. Pour les trois indicateurs lesquels le gaz n’est pas la meilleure variante (changement climatique, épuisement des ressources minérales et déchets produits), la variante bois est la meilleure et les écarts avec la 2ème