Méthodes en ACV de bâtiment

L’ACV a été appliquée dans le secteur du bâtiment depuis plus de 20 ans selon différents contextes et objectifs (Polster et al., 1996 ; Buyle et al., 2013) :

 l’aide à la décision en conception ou rénovation ;

 l’évaluation environnementale de bâtiments résidentiels et non résidentiels ;  l’aide à la décision à l’échelle du quartier ;

 l’évaluation environnementale de matériaux et de composants de construction ;

 l’évaluation environnementale d’étapes spécifiques du cycle de vie de bâtiment, comme la construction ou la fin de vie, ou du cycle de vie entier ;

 l’évaluation environnementale de systèmes et de procédés de construction ;

 le développement d’outils et bases de données ACV spécifiques au secteur de la construction ;

 des développements méthodologiques spécifiques au bâtiment, par exemple en ACV dynamique, en ACV conséquentielle ou dans l’analyse des incertitudes.

Le bâtiment a des caractéristiques propres et sensiblement différentes d’autres produits industriels traditionnellement analysés en ACV. C’est un système complexe avec une durée de vie longue pouvant aller au-delà de 100 ans. L’approche holistique et systémique de l’ACV est donc particulièrement adaptée à l’évaluation environnementale de ce type de système qui mobilise une grande diversité de filières, de composants, d’activités et d’émissions environnementales disséminées partout dans le monde. En revanche, des développements sont toujours nécessaires pour évaluer de manière fiable le bâtiment malgré un ensemble de spécificités liées à son caractère complexe : des aspects dynamiques de court et long terme, de nombreuses interactions avec d’autres systèmes et décisions humaines, et une longue durée de vie. Cette section s’intéresse aux travaux de la littérature en lien avec ces problématiques. Les questions des incertitudes, fortement liées à ces notions, sont traitées plus particulièrement en section 1.6.

L’analyse de cycle de vie

1.3.2.1 Étapes du cycle de vie d’un bâtiment

L’application principale de l’ACV au cœur de cette thèse est l’évaluation environnementale d’un bâtiment zéro-énergie sur tout son cycle de vie dans un but d’écoconception. L’approche complète du bâtiment et de son cycle de vie permet d’éviter le déplacement d’impacts vers des composants ou vers certaines étapes. L’application de l’ACV au bâtiment est standardisée par la norme CSN EN 15978:2011 du Comité Européen de Normalisation (Comité Européen de Normalisation, 2011). Elle décrit le système et le cycle de vie du bâtiment en plusieurs étapes et sous-étapes (les modules) illustrée à la Figure 1.8, de l’extraction des ressources utiles à la construction jusqu’à la fin de vie du bâtiment.

Figure 1.8 – Étapes et modules du cycle de vie d’un bâtiment selon la norme CSN EN 15978:2011

Ces modules peuvent être réorganisés en quatre étapes du cycle de vie du bâtiment :  Étape de construction. Comprend les modules A1 à A5 : extraction des ressources,

composants jusqu’au site de construction et activités de chantier (dont les éventuelles pertes de matériaux).

 Étape d’utilisation. Comprend les modules B1, B6 et B7 qui concernent l’utilisation des occupants : la consommation d’énergie et d’eau, la production de déchets, et éventuellement l’usage de transports.

 Étape de rénovation. Comprend les modules B2 à B5 : la maintenance, la réparation, le remplacement et la rénovation des composants du bâtiment.

 Étape de déconstruction. Comprend les modules C1 à C4 et D : le démantèlement du bâtiment, le transport des déchets puis leur traitement final (décharge, incinération, recyclage, réemploi). Dans cette étape sont considérées les hypothèses de substitution et d’allocation des procédés de fin de vie comme l’impact évité par le recyclage d’un matériau ou le réemploi.

La littérature en ACV de bâtiment montre que les impacts environnementaux des constructions qui composent la majorité du parc bâti sont principalement liés aux consommations énergétiques de l’étape d’utilisation. Cette étape contribue pour 60 à 90 % à la consommation d’énergie primaire et à l’émission de GES du cycle de vie global (Peuportier, 2008 ; Cabeza et al., 2014 ; Buyle et al., 2013). Historiquement, les efforts d’amélioration environnementale du bâtiment se sont concentrés sur la réduction des consommations d’énergie et plus spécifiquement des besoins de chauffage et de refroidissement (Fouquet et al., 2015). Des bâtiments passifs et à basse consommation ont été développés avec une meilleure isolation de l’enveloppe (parois, portes et fenêtres), une meilleure étanchéité à l’air et l’installation d’une ventilation avec échangeur de type double flux. On observe pour ces bâtiments très performants d’un point de vue énergétique une réduction globale des impacts avec une contribution relative plus élevée des étapes de construction, de rénovation et de fin de vie (Saade et al., 2019). Blengini et Di Carlo (2010) analysent une maison passive et la comparent à une maison standard en Italie : ils observent que malgré une division des besoins de chauffage par 10, la consommation d’énergie primaire et l’émission de GES sur le cycle de vie sont seulement divisées d’un facteur 2. Le déplacement des impacts vers d’autres étapes que l’utilisation encourage les futurs développements en ACV de bâtiment vers l’évaluation plus précise des procédés de

L’analyse de cycle de vie

construction et de fin de vie, comme le recyclage et la réutilisation (Vieira et Horvath, 2008), et de la durée de vie du bâtiment (Marsh, 2017). La définition généralement admise de l’optimalité environnementale d’un bâtiment se déplace, passant d’une notion unique de réduction de la consommation énergétique vers l’identification d’un équilibre optimal entre minimisation des impacts « gris » et minimisation des impacts directs durant l’utilisation (Buyle et al., 2013).

1.3.2.2 Inventaire de cycle dynamique intra-annuel en approche attributionnelle

La demande énergétique d’un bâtiment présente une forte variabilité temporelle liée à la fluctuation des besoins des occupants (température de confort, usages d’ECS et d’appareils électriques) et de la météorologie. La variabilité et la contribution significative de la consommation d’énergie dans les impacts du cycle de vie ont encouragé l’usage de modèles de simulation énergétique du bâtiment (SED) pour fournir à l’inventaire de cycle de vie des données de consommation d’énergie du bâtiment dynamiques et réalistes (Peuportier, 2008 ; Peuportier et al., 2013). Ces modèles de SED calculent les besoins thermiques et les consommations d’un bâtiment avec une résolution horaire à partir de ses caractéristiques thermiques (enveloppe et systèmes), du site (course du Soleil, masques proches et lointains), de scénarios d’usage des occupants (température de consigne, électricité spécifique, eau chaude sanitaire, présence, etc.) et de données climatiques de référence (Peuportier et Blanc-Sommereux, 1990). Toujours dans la phase d’ICV, le mix d’approvisionnement électrique peut être décrit par des données dynamiques pour prendre en compte ses variabilité saisonnières (p. ex. la pointe hivernale), hebdomadaires (p.ex. différence entre jours ouvrés et week-end) et journalières (p. ex. la pointe en soirée et les heures creuses durant la nuit) dans l’évaluation des impacts de la consommation d’électricité (Roux et al., 2017). Durant les heures de pointes, les technologies d’approvisionnement les plus flexibles (mais aussi les plus chères à activer et les plus polluantes comme les centrales à combustion à gaz, charbon ou fioul) ainsi que les imports sont mis en fonctionnement, augmentant considérablement l’impact environnemental d’un kWh d’électricité consommé sur le réseau (Rehberger et Hiete, 2015). Dans la littérature en ACV de bâtiment la description annuelle du mix d’approvisionnement électrique est la plus souvent adoptée. Pourtant, plusieurs travaux montrent que l’usage d’un ICV

dynamique de l’électricité en ACV de bâtiment améliore de façon non négligeable la qualité de l’évaluation environnementale de l’étape d’utilisation d’un bâtiment. Cet ICV dynamique intra-annuel est illustré à la Figure 1.9.

Roux et al. (2016) trouvent qu’une description annuelle du mix électrique plutôt qu’une description horaire peut mener à une sous-estimation de 40 % de l’émission de GES du bilan électrique annuel (consommation + production) d’un bâtiment en France équipé de panneaux photovoltaïques (PV) et de convecteurs électriques. Asdrubali et al. (2019) réalisent la même comparaison mais sur l’émission de GES totale (sur cycle de vie) et observent une sous estimation de 8 % avec la description annuelle du mix dans le cas d’une maison à énergie positive située en Italie. Beloin-Saint-Pierre et al. (2019) observent une sous-estimation moyenne de 14 % de l’émission de GES de la consommation d’électricité annuelle, en comparant une description annuelle du mix et des descriptions mensuelle, journalière et horaire, dans le cas d’un bâtiment équipé de panneaux PV en Suisse. Collinge et al. (2018) réalisent la même comparaison dans le cas d’un bâtiment basse consommation (sans production PV) et d’un BZE. Les résultats diffèrent des études citées précédemment avec une surestimation de 30 % de l’émission de GES de la consommation énergétique en utilisant un mix annuel plutôt qu’un mix horaire dans le cas du bâtiment basse consommation, et aucune différence significative sur ce même indicateur dans le cas du BZE. Néanmoins, ils montrent des différences notables sur d’autres indicateurs (eutrophisation, ozone photochimique, effets respiratoires), des résultats fortement liés aux spécificités du cas d’étude dont un mix de production électrique qui présente une pointe hivernale et une pointe estivale. Plus généralement, l’usage d’une description mensuelle du mix électrique peut déjà améliorer significativement la qualité de l’évaluation environnementale. Une description horaire du mix électrique reste toutefois la plus recommandée malgré la hausse de complexité que peut amener son implémentation.

L’analyse de cycle de vie

Figure 1.9 – ICV dynamique intra-annuelle des consommations d’électricité et du mix. Dans un exemple d’ICV inter-annuelle, les « émissions des technologies de production » seraient dynamiques pour décrire des évolutions technologiques (Su et al., 2019)

1.3.2.3 Export d’électricité sur le réseau et approche conséquentielle

La création d’un ICV dynamique est d’autant plus recommandée pour l’évaluation environnementale de BZE et de BEPOS. Ces types de bâtiments sont équipés de système de production renouvelable, le plus souvent des panneaux solaires PV. Ils vont produire de l’électricité, l’autoconsommer et exporter le surplus de production qui sera utilisé ailleurs sur le réseau. Le BZE/BEPOS, en tant que système, acquiert ainsi une nouvelle fonction « de production d’électricité sur le réseau ». La façon dont est prise en compte, ou non, cette nouvelle fonction peut avoir une grande influence sur les résultats de l’ACV. Si cette fonction est coupée du système (cut-off) aucun bénéfice n’est accordé à l’export. Dans le cas où l’on procède à une expansion des frontières du système pour intégrer cette fonction (voir la section 1.3.1.1 et la modélisation de l’ICV), l’export d’électricité du bâtiment va se substituer à une production équivalente sur le réseau et des bénéfices environnementaux peuvent être attribués. Beloin-Saint-Pierre et al. (2019) excluent l’export des frontières du système et le justifie par l’idée que la gestion de ce surplus appartient au gestionnaire du

réseau électrique. Roux et al. (2016) et Collinge et al. (2018) considèrent des bénéfices environnementaux pour l’export mais ne comparent pas les deux hypothèses. Asdrubali et al. (2019) comparent explicitement les deux hypothèses dans le cas d’une maison à énergie positive équipée d’une PAC électrique et qui possède un bilan final net positif (exportateur) de 7,7 kWh/(m².an). Avec l’hypothèse excluant l’export des frontières du système, l’étape d’utilisation représente 31 % des émissions totales de GES contre -18 % avec l’hypothèse de substitution. L’émission de GES totale du cas excluant l’export est supérieure de 73% au cas incluant l’export. Ils analysent ces hypothèses avec des scénarios de mix électriques futurs décarbonés et montrent que l’émission de GES total du cas sans export diminuerait dans le futur (profitant directement de la décarbonation du mix) tandis qu’il augmenterait dans le cas avec export (les bénéfices de l’export diminuant plus que l’impact de l’import), sans pour autant que leurs courbes ne se croisent.

L’approche conséquentielle est la plus appropriée en ACV pour l’écoconception de BZE car elle contribue à créer un cadre cohérent qui considère à la fois la problématique d’expansion des frontières du système (pour l’export d’électricité PV entre autres), les interactions complexes du bâtiment avec le réseau qui vont mobiliser le mix des technologies de production marginales, et le caractère décisionnel d’un projet de construction de bâtiment (Ekvall et Weidema, 2004 ; Roux et al., 2017 ; W.O. Collinge et al., 2018). Le mix des technologies de production marginal est celui qui est spécifiquement appelé pour répondre à une demande supplémentaire ou qui est démobilisé pour compenser une diminution de la demande. Il est généralement composé des technologies modulables les plus coûteuses à chaque instant, le plus souvent à base d’énergies fossiles ou d’imports. Ainsi Roux et al. (2017) développent un modèle de mix électrique, puis sur un cas d’étude équipé de convecteurs électriques trouvent un mix marginal associé au poste de consommation du chauffage composé annuellement de 87,6 % de production de centrales à gaz et au charbon, 11,7 % de production nucléaire et moins de 1 % d’imports et de technologies de pointes comme les turbines à combustion au fioul. Ce mix marginal attribue une empreinte carbone annuelle de l’électricité pour le chauffage de 839 kgCO2/kWh contre 96 kgCO2/kWh en utilisant un mix attributionnel dynamique soit

une multiplication d’un facteur 9. Collinge et al. (2018) justifient l’adoption de l’approche conséquentielle dans l’évaluation d’un BZE en raison de la fluctuation régulière entre sa

L’analyse de cycle de vie

production nette (export) et sa consommation nette (parfois plusieurs fois par jour) qui mobiliserait à chaque instant le mix marginal. Dans le cas du bâtiment basse consommation, les auteurs proposent une approche hybride : elle suppose que le gestionnaire de réseau anticipe une consommation d’énergie minimale du bâtiment (sous forme d’un « bandeau ») étant donné qu’il n’exporte jamais sur le réseau. La consommation d’électricité du bâtiment peut ensuite être évaluée avec un mix attributionnel jusqu’au seuil de ce bandeau, seuil au-delà duquel le mix marginal prend le relais. Ils observent qu’avec ces approches, l’étape d’utilisation a une émission de GES 50 % plus élevée pour le bâtiment basse consommation et un bénéfice environnemental (émission de GES négative) 45 % plus élevé pour le BZE qu’avec l’usage d’un mix attributionnel horaire.

1.3.2.4 ACV dynamique long terme

Au-delà des aspects temporels intra-annuels, une approche dynamique en ACV de bâtiment devrait également prendre en compte les évolutions de long terme. Celles-ci sont très influentes en raison de la durée de vie très longue du système et de la forte influence des conditions futures sur l’étape d’utilisation qui peuvent induire des variations d’impacts plus importantes que les impacts des autres étapes (Collinge et al., 2013). Du point de vue des étapes d’une ACV de bâtiment (voir Figure 1.10) les variabilités temporelles intra-annuelles et inter-annuelles concernent (Su et al., 2019) :

 le système de premier-plan, principalement à travers la variabilité de données de consommations d’énergie utilisées pour constituer l’ICV dynamique ;

 les données des procédés qui composent le système d’arrière-plan et sont aussi utilisés pour constituer l’ICV dynamique ;

 les mécanismes d’impact de certaines émissions, qui se traduisent par des facteurs de caractérisation dynamiques, dépendants du moment où un polluant a été émis (étape 3).

Figure 1.10 – Étapes de l’ACV de bâtiment

Negishi et al. (2018) proposent un cadre méthodologique pour l’ACV dynamique de bâtiment et identifient les aspects dynamiques du cycle de vie d’un bâtiment qui devraient être pris en compte :

 Le comportement des occupants. Il peut évoluer avec des changements de typologie des occupants (famille, couple, âges, etc.) et des changements sociétaux qui induisent de nouveaux usages (p.ex. rechargement de batterie de voiture, objets connectés) et de nouveaux comportements plus ou moins vertueux écologiquement (Association négaWatt, 2018). Ces évolutions se répercutent sur les données de consommation du bâtiment via les scénarios de confort (températures de consigne), d’usages et de présence utilisés en SED, ainsi que sur les déchets ménagers et l’usage de transport.  Les matériaux et composants du bâtiment. Ils peuvent voir leurs performances

thermiques et techniques se dégrader au fil du temps à cause du vieillissement naturel avec par exemple comme conséquence une augmentation de la conductivité thermique des parois qui impacterait les consommations (de Wilde et al., 2011 ; Eleftheriadis et Hamdy, 2018). Ces composants peuvent être remplacés dans le futur par des composants plus performants et/ou produits avec des procédés plus performants qui consomment moins de ressources et émettent moins de polluants. Ces aspects impactent les données de consommation, les données des procédés d’arrière-plan ainsi que les impacts des étapes de rénovation et de fin de vie.

 Les systèmes CVC, renouvelables et de stockage. Comme les matériaux et composants, le vieillissement peut impacter les performances techniques (p.ex. le rendement des pompes à chaleur ou des panneaux PV) et ils peuvent être remplacés par des technologies plus performantes dans le futur (Griffith et al., 2008 ; Jordan et Kurtz,

L’analyse de cycle de vie

2013 ; Eleftheriadis et Hamdy, 2018). Il est aussi possible que des systèmes supplémentaires de production renouvelable et de stockage soient installés. Ces aspects impactent les données de consommation, les données des procédés d’arrière-plan ainsi que les impacts des étapes de rénovation et de fin de vie.

 Les mix énergétiques. Les mix de production énergétique (électricité et chaleur) vont évoluer dans le futur en conséquence de choix politiques et de mécanismes de marché (C. Roux, Schalbart, Assoumou, et al., 2016 ; Raillard, 2019 ; Kiss et al., 2020). Ces évolutions influencent très fortement les impacts de l’étape d’utilisation car ils conditionnent les impacts environnementaux des futures consommations d’énergie.  Le stockage et l’émission de carbone. La capture de carbone durant la croissance de

l'arbre, l’absorption de carbone dans les matériaux de construction à base de chaux comme la carbonatation du béton et les émissions de carbone et autres GES en fin de vie des composants vont engendrer des forçages radiatifs qui dépendent du temps (Levasseur et al., 2010 ; Peñaloza et al., 2013 ; Fouquet et al., 2015). Ce phénomène dynamique est illustré à la Figure 1.11 et se traduit en ACV par l’usage de facteurs de caractérisation dépendants du temps dans le calcul des impacts.

 Les technologies de fin de vie. Les procédés de fin de vie utilisés pour le remplacement des composants dans l’étape de rénovation et la fin de vie du bâtiment dans l’étape de déconstruction sont incertains. Les technologies de traitement des déchets peuvent évoluer avec l’amélioration des taux de recyclage et des taux de valorisation énergétique. Ces évolutions dépendent de progrès technologiques mais aussi du contexte réglementaire futur et de politiques incitatives ou contraignantes (Meylan et al., 2018).

 Les conditions météorologiques. Les évolutions liées au changement climatique (température, rayonnement solaire, taux d’humidité ou précipitations) influencent les consommations d’énergie ainsi que la production d’énergie renouvelable du bâtiment et du mix énergétique (C. Roux, Schalbart, Assoumou, et al., 2016 ; Nik, 2016 ; Ramon et al., 2019 ; Farah et al., 2019).

Figure 1.11 – Forçage radiatif instantané (a) et cumulé (b) de l’émission d’une masse unitaire de dioxyde de carbone et de méthane (Levasseur et al., 2010)

L’ACV dynamique d’un bâtiment tend résolument vers une approche prospective de par la longue durée de vie du système d’étude. Par ailleurs, une approche prospective basée sur l’usage de scénario d’évolution inter-annuelle peut profiter d’une approche dynamique de long-terme. La convergence de ces approches est pour le moment un sujet encore récent et en plein développement dans la littérature. Roux et al. (2016) proposent une approche prospective qui divise le cycle de vie du bâtiment en trois périodes de court, moyen et long terme auxquelles sont associées des scénarios climatiques et de mix électrique futurs, indépendants et de résolution horaire. L’approche attributionnelle et l’approche conséquentielle sont chacune adoptées dans l’évaluation de 4 scénarios de cycle de vie d’un bâtiment. En revanche, seul un mix marginal court-terme est utilisé dans l’approche conséquentielle ce qui peut être incohérent avec l’ensemble de l’approche prospective. Les auteurs montrent également l’importance de prendre en compte des scénarios d’évolution du mix électrique et du climat dépendants et cohérents entre eux en raison de leurs interactions à la fois sur la part thermosensible de la demande nationale et sur la productivité des technologies renouvelables, hydrauliques et nucléaires. Su et al. (2019) proposent une approche prospective en ACV dynamique de bâtiment. L’approche est appliquée à un cas d’étude d’une durée de vie de 34 ans en prenant en compte des mix électriques futurs de résolution annuelle et des scénarios sur les futurs taux de recyclage de matériaux à leur fin de vie. Fouquet et al. (2015) réalisent une ACV dynamique en prenant en compte trois scénarios de mix électriques futurs de résolution annuelle et deux scénarios

L’analyse de cycle de vie

d’évolution technologiques qui jouent sur les impacts des matériaux de remplacement