Évaluation des impacts environnementaux des bâtiments en bois : analyse du cycle de vie dynamique du carbone biogénique

© Charles Breton, 2019

Évaluation des impacts environnementaux des

bâtiments en bois : analyse du cycle de vie dynamique

du carbone biogénique

Mémoire

Charles Breton

Maîtrise en sciences du bois - avec mémoire

Maître ès sciences (M. Sc.)

Évaluation des impacts environnementaux des

bâtiments en bois : analyse du cycle de vie dynamique

du carbone biogénique

Mémoire

Charles Breton

Sous la direction de :

Pierre Blanchet, directeur de recherche

Robert Beauregard, codirecteur de recherche

iii

Résumé

Le secteur du bâtiment émet jusqu’à 30% des émissions de gaz à effet de serre (GES) mondiales. Au Canada, il émet 12% des émissions de GES directes et subira une croissance importante d’ici 2030. Accroître l’utilisation des produits du bois pourrait diminuer les impacts climatiques attribués au secteur du bâtiment, ce qui contribuerait à l’atteinte des cibles nationales de réduction des émissions de GES. En stimulant un aménagement forestier durable, cela limiterait aussi les émissions de GES en forêt, en diminuant par exemple les risques de perturbations naturelles. Une gestion intégrée stimulant les secteurs du bâtiment, de la forêt et des produits du bois générerait un maximum de bénéfices environnementaux (i) en maintenant ou augmentant les stocks de carbone en forêt; (ii) en augmentant le stockage temporaire dans les produits du bois; (iii) en encourageant la substitution de matériaux à plus haute empreinte carbone.

Le potentiel réel des stratégies d’atténuation faisant intervenir les produits du bois est difficile à quantifier. L'analyse du cycle de vie (ACV) est un outil utilisé en génie environnemental pour déterminer les impacts environnementaux d'un produit ou d'un service sur son cycle de vie. Cependant, en ACV, il n'existe aucun consensus sur la modélisation du carbone issu de processus biologiques, le carbone biogénique. Les ACV traditionnelles (statiques) ne considèrent pas l’influence des aspects temporels; elles reposent souvent sur les hypothèses que le carbone biogénique est (1) carboneutre ou (2) entièrement émis à la récolte. Ceci est problématique car les impacts climatiques d’un GES sont liés aux variations de sa concentration atmosphérique dans le temps. Les méthodes statiques peuvent donc mener à d’importantes erreurs d’estimation. Par exemple, 57% du carbone séquestré dans les produits du bois canadiens entre 1990 et 2008 est encore stocké dans l’anthroposphère. Considérer ce carboneentièrement émis induit une erreur d’estimation de 675 Mt CO2, l’équivalent de 92% des émissions de GES canadiennes en 2014. Les méthodes dites dynamiques permettent de considérer l’influence d’aspects temporels en ACV. Elles permettent d’éviter les hypothèses simplificatrices (1) et (2). Cependant, ces méthodes sont relativement récentes. Il existe peu d’exemples de leur application dans la littérature, notamment dans le domaine de l’ACV du bâtiment, où leur complexité additionnelle en termes de ressources (temps, données) est un enjeu important.

L’objectif de ce projet est de comparer les résultats des méthodes statique et dynamique pour l’évaluation des impacts climatiques des produits du bois en ACV du bâtiment. Plus spécifiquement, cet objectif implique d’identifier une méthode dynamique adaptée à l’ACV du bâtiment, puis de l’utiliser dans une étude de cas. Ces objectifs spécifiques sont couverts dans deux articles. Le premier article dresse une revue critique des méthodes de modélisation du carbone biogénique en ACV et identifie la méthode dynamique du potentiel de réchauffement global biogénique (PRGbio) comme bien adaptée à l’ACV du bâtiment. Celle-ci permet d’intégrer des aspects dynamiques à l’ACV du bâtiment sans trop complexifier la collecte de données d’inventaire du cycle de vie. Le second article décrit l’application de la méthode PRGbio à l’étude de cas des Habitations Trentino, un bâtiment en bois situé à Québec. Comparativement à une approche statique, l’approche dynamique entraîne une réduction des impacts climatiques liés à l’utilisation des produits du bois. Ce résultat suggère que les méthodes d’ACV actuelles surévaluent les impacts environnementaux du carbone biogénique, et que des politiques encourageant la construction en bois auraient un potentiel d’atténuation des changements climatiques prometteur.

iv

Abstract

The building sector accounts for up to 30% of global GHG emissions. In Canada, it represents 12% of direct GHG emissions; these impacts are expected to significantly increase before 2030. Using more harvested wood products (HWP) in buildings could reduce the climate change impacts of the building sector and help reach the national mitigation goals set under the Paris Agreement. By encouraging sustainable forest management, this could also reduce forest carbon emissions, e.g. by reducing the risks and consequences of natural disturbances (fires, insects, etc.). Combining (i) sustainable forest management, (ii) temporary carbon storage and (iii) substitution benefits in integrated management approaches could provide large, necessary mitigation benefits. The potential benefits of integrated approaches including HWP are increasingly recognized, but assessing their actual climate impacts remains challenging. Life cycle assessment (LCA) is used in environmental engineering to assess the life cycle impacts products or services. However, there is currently no consensus in LCA on the assessment of carbon from biological processes, biogenic carbon. Traditional (static) practice disregards the influence of time considerations in LCA, and generally considers biogenic carbon (1) carbon neutral or (2) entirely emitted at the moment of harvest. This is a problem, since the climate change impacts of greenhouse gases (GHG) are a function of their atmospheric concentration over time. Disregarding time considerations can thus lead to estimation errors. In Canada, 57% of the biogenic carbon captured in wood products between 1990 and 2008 still remains in the anthroposphere. To consider it entirely emitted at harvest induces an estimation error of 675 Mt CO2, or approximately 92% of total Canadian GHG emissions in 2014. Dynamic approaches include time considerations in LCA and avoid simplifying assumptions (1) and (2). However, dynamic approaches are relatively recent. There are few available case studies and guidelines in the literature, notably in the field of building LCA, where the additional complexity and ressources (time, data) is a concern.

The goal of this project is to compare the results of static and dynamic LCA approaches in the analysis of the climate change impacts of HWP in building LCA. More specifically, this goal implies identifying a dynamic approach well adapted to building LCA, and applying it in a case study. These objectives are covered in two articles. The first article is a critical review of biogenic carbon assessment methods in LCA. It identifies the biogenic global warming potential (GWPbio), a dynamic LCA approach, as well adapted for building LCA. The GWPbio approach can include time considerations in LCA, but is less resource-intensive than other approaches. The second article describes the use of GWPbio in the LCA of the Trentino building, a timber building located in Quebec City. Compared to static approaches, using GWPbio reduces the global warming impacts of HWP. This result suggests that current LCIA practice overestimates the impacts of biogenic carbon and HWP. Consequently, encouraging an increased use of HWP in the building sector could provide promising climate change mitigation benefits.

v

Table des matières

Résumé ... iii

Abstract ... iv

Table des matières ... v

Liste des tableaux ... vii

Liste des figures ... viii

Remerciements ... x

Avant-propos ... xi

Introduction ... 1

Objectifs du projet ... 4

Rétrospective méthodologique ... 5

Chapitre 1. Assessing the Climate Change Impacts of Biogenic Carbon in Buildings: A Critical Review of Two Main Dynamic Approaches ... 7

Résumé ... 7

Abstract ... 7

1. Introduction ... 7

2. Methodology ... 9

3. Critical review of the literature... 12

3.1. Conventional LCIA Metrics for Climate Change ... 12

3.2. Time in Conventional LCIA Practice ... 14

3.3. Approaches to Include Time in the LCIA of Biogenic Carbon ... 14

4. Comparing Two Biogenic Carbon LCIA Methods ... 20

4.1. The Dynamic Life Cycle Assessment (DLCA) Framework ... 20

4.2. GWPbio, a Metric-Based Alternative to DLCA ... 21

4.3. Comparison of Both Dynamic Approaches ... 25

4.4. Implications for Current Building LCA Practice ... 27

5. Limits of this review ... 28

6. Conclusions ... 29

7. References ... 30

Chapitre 2. Selective application of the biogenic global warming potential in a timber building dynamic life cycle assessment ... 39

Résumé ... 39

Abstract ... 39

8. Introduction ... 39

vi

9.1 Goal and scope ... 41

9.2 Life cycle inventory ... 43

9.3 Life cycle impact assessment ... 47

10. Results and discussion ... 57

10.1 Results of the GWPbio approach for the four studied HWP ... 57

10.2 Comparison of the two LCIA approaches ... 61

11. Limits of this study ... 63

12. Conclusion ... 63 Conclusion générale ... 65 Bibliographie ... 67 Annexe A ... 72 Annexe B ... 76 Annexe C ... 78 Annexe D ... 79

vii

Liste des tableaux

Table 1 Search strategies used for the critical review of the literature—Adapted from [48]. ... 10

Table 2 Synthesis of primary and secondary keywords used in the global scope of the review. ... 10

Table 3 Non-exhaustive list of global warming metrics—Adapted from [55]. ... 14

Table 4 Synthesis of the four main approaches for biogenic carbon assessment in attributional LCA. ... 16

Table 5 Summary of reviewed dynamic approaches. ... 19

Table 6 Dynamic global warming potential (GWPbio) and global temperature change potential (GTPbio) for three emission profiles using 20- and 100-year time horizons. ... 24

Table 7 Synthesis of the DLCA and GWPbio approaches and their respective advantages. ... 28

Table 8 Recycling and landfilling rates for 13 product categories – adapted from the CIRAIG LCA (2015). ... 45

Table 9 LCI assumptions for the construction, use and end of life stages – adapted from the CIRAIG LCA (2015)... 45

Table 10 Key information on the Trentino Building –Adapted from Lützkendorf and Baloutski (2016) and Rouleau et al. (2018) ... 47

Table 11 Parameters of the multi-model mean IRF – adapted from Boucher et Reddy (2008), Joos et al. (2013), Myhre et al. (2013b) ... 49

Table 12 K parameter for the chi-square oxidation profile of the four studied HWP ... 52

Table 13 Total contribution of each HWP to the Trentino Building’s biogenic carbon mass over the life cycle ... 57

Table 14 GWP20, GWP100 and GTP100 values for selected HWPs using a C*0 coefficient of 1, with related assumptions ... 60

Table 15 GWP20, GWP100 and GTP100 values for selected HWPs using a C*0 coefficient of 0.1, with related assumptions ... 60

Table 16 GWP20, GWP100 and GTP100 values for selected HWPs using a C*0 coefficient of 1, with related assumptions ... 60

Table 17 Total short- (GWP20), mid-(GWP100) and long-term (GTP100) climate change impacts for scenarios 1 and 2 (kg CO2eq) ... 61

Table 18 Contribution of each life cycle stage to total amount of material consumption for the Trentino Building ... 76

Table 19 Contribution of each life cycle stage to total amount of waste production for the Trentino Building (construction waste, replacements, and end of life disposal) ... 77

Table 20 Supplementary information on the Trentino Building – Adapted from Lützkendorf and Baloutski (2016) and Rouleau et al. (2018) ... 78

viii

Liste des figures

Figure 1 Results of the systematic queries—Adapted from the PRISMA flow diagram (Moher et al., 2009). . 11 Figure 2 Position of two common metrics, global warming potential (GWP) and global temperature change potential (GTP), on the cause-effect chain of climate change—Adapted from [55,67]. ... 12 Figure 3 Time horizon covered by the LCIA of GHG emissions for (a) fixed time horizon and (b) fixed endpoint, for a 75-year building life cycle and a 100-year assessment period—Adapted from [40]... 17 Figure 4 GHG Radiative forcing, AGWP and AGTP for pulse, concentrated and distributed GHG emission profile ... 24 Figure 5 3D section view of the Trentino Building. Unit A (left) uses a cross-laminated structure, while Unit B (right) has a light-frame timber structure. ... 41 Figure 6 Included building life cycle stages and selected system boundary – adapted from Lützkendorf & Baloutski (2016)(Annex 57 ST1). ... 42 Figure 7 Building elements included in the product system boundaries – adapted from Lützkendorf &

Balouktsi (2016) ... 43 Figure 8 Foreground processes within the scope of the studied product system for both units of the Trentino Building ... 44 Figure 9 Electricity grid mix for Quebec – adapted from CIRAIG (2014) ... 45 Figure 10 NEE chronosequence and yearly NEE averages measured at the EOBS and HBS00 black spruce stands - Adapted from Bernier and Paré (2013) and Grant et al. (2010) ... 51 Figure 11 Before and after afforestation scenarios for modelling forest carbon sequestration - Adapted from Levasseur et al. (2013). ... 52 Figure 12 Oven-dry wood flows in the cross-laminated timber (CLT) production process, including co-products ... 53 Figure 13 Oven-dry wood flows in the glued-laminated timber (GLU) production process, including co-products ... 53 Figure 14 Oven-dry wood flows in the SPF lumber (SPF) and wood siding (WSG) production process, including co-products ... 54 Figure 15 Emission profile of wood siding modelled as a combined profile including replacements rather than three individual profiles ... 55 Figure 16 Combined biogenic carbon emission profile, radiative forcing, absolute global warming potential (AGWP) and absolute global temperature change potential (AGTP) for wood siding in the Trentino Building 55 Figure 17 Impulse response function (IRF) for the biogenic carbon emissions of cross-laminated timber (CLT), glued-laminated timber (GLU), SPF lumber (SPF) and wood siding (WSG), compared to the fossil carbon (FOS) IRF ... 58 Figure 18 Absolute global warming potential (AGWP) for the biogenic carbon emissions of cross-laminated timber (CLT), glued-laminated timber (GLU), SPF lumber (SPF) and wood siding (WSG), compared to the AGWP of fossil carbon emissions (FOS) ... 59 Figure 19 Absolute global temperature change potential (AGTP) for the biogenic carbon emissions of cross-laminated timber (CLT), glued-cross-laminated timber (GLU), SPF lumber (SPF) and wood siding (WSG), compared to the AGTP of fossil carbon emissions (FOS) ... 59 Figure 20 Contribution of each life cycle stage to total climate change impacts (IPCC2013, GWP100) in scenarios 1 (b) and 2(a) ... 61 Figure 21 Contribution of each life cycle stage to the climate change impacts of the Trentino Building (IPCC 2013, no allocation) for a) total embodied and operational impacts and b) embodied impacts only ... 62

ix

À Brigitte, Bruno et Catherine,

pour leur amour et leur soutien

x

Remerciements

Ce projet de maîtrise n’aurait pu aboutir sans le support de nombreux partenaires, collègues et amis. Je tiens d’abord à remercier les partenaires financiers du projet, notamment la subvention de recherche et développement coopératif du Conseil de recherche en sciences et génie du Canada (CRSNG) ayant pour titre :

Life Cycle Whole Building Design Tool for Energy Efficient Innovative Buildings. Je tiens aussi à remercier le CRSNG et le Fonds québécois de recherche – nature et technologies (FQRNT) pour leur appui financier par l’entremise de bourses de maîtrise en recherche, respectivement la bourse BESC-M et la bourse de recherche en énergie A7. Je remercie également le CRSNG et le Programme de bourses du Jubilé de diamant de la reine Elizabeth II pour leur soutien financier pour mon séjour à l’Université de Bath, au Royaume-Uni.

Je tiens à remercier du fond du cœur mon directeur de recherche, Pierre Blanchet, ainsi que mes codirecteurs, Robert Beauregard et Ben Amor, pour leur soutien, leurs conseils et leur disponibilité. Ils ont été des guides pour moi à plusieurs niveaux tout au long de ce projet. Merci également à Mathieu Payeur et au Pr. Wen-Shao Chang, qui m’ont tous deux accueilli, supervisé, conseillé et remis en question lors de stages auprès de Transition Énergétique Québec et du Département d’architecture et de génie civil de l’Universtié de Bath. Merci à Patrick Lavoie et au Pr. Francesco Pomponi, pour leurs conseils et leurs commentaires à titre d’évaluateurs externes de mes travaux de maîtrise; Patrick pour mon proposé de recherche, et Francesco pour ce mémoire. La réalisation de ce projet aurait été impossible sans le soutien de plusieurs personnes et partenaires. Merci à la Société d’habitation du Québec et au Centre international de référence sur le cycle de vie des produits, procédés et services (CIRAIG) pour m’avoir fourni le modèle d’ACV et les plans des Habitations Trentino. Merci au Pr. Francesco Cherubini pour m’avoir partagé des scripts Matlab qui m’ont permis de mieux comprendre son approche de l’ACV dynamique et de l’adapter à notre cas d’étude.

Merci à l’ensemble du personnel du CIRCERB, du CRMR et de la FFGG, et tout spécialement à Guylaine, Caroline, Pierre, Torsten, Jenny, Myriam, Sophie-Anne et Stéphanie, qui m’ont soutenu et conseillé à maintes reprises.

Merci à mes parents, Brigitte et Bruno, qui m’ont toujours soutenu et encouragé dans mes projets. Enfin, j’aimerais adresser un remerciement spécial à ma conjointe, Catherine Martel, qui m’a supporté sans relâche tout au long de ce parcours – tout particulièrement dans les périodes de rédaction.

xi

Avant-propos

Le projet présenté dans ce mémoire de maîtrise s’inscrit dans le cadre des travaux de la Chaire industrielle de recherche sur la construction écoresponsable en bois (CIRCERB). Le contenu principal de ce mémoire « par article » est couvert par deux articles scientifiques en anglais, présentés aux chapitres 1 et 2.

Breton, C., Blanchet, P., Amor, B., Beauregard, R., et Chang, W.-S. (2018). Assessing the Climate Change

Impacts of Biogenic Carbon in Buildings: A Critical Review of Two Main Dynamic Approaches. Sustainability, 10(6), 2020. doi: 10.3390/su10062020

Breton, C., Blanchet, P., Amor, B., et Beauregard, R. (En préparation). Selective application of a dynamic life

cycle assessment approach in the case study of a timber building.

Le premier auteur a préparé et rédigé le contenu des deux articles, puis y a inclus les commentaires et révisions de leurs coauteurs respectifs.

Les travaux de ce projet ont également été présentés dans les rapports, articles et évènements présentés ci-dessous. Les présentations par affiches sont reproduites à l’Annexe A.

Rapports techniques et articles de vulgarisation

Breton, C. 2017. Le bâtiment en bois, un potentiel inexploité pour la lutte aux changements climatiques. L’intErDiSciplinaire, numéro 12 (hiver 2017). 6.

Breton, C. 2016. La place du carbone biogénique dans le contexte des changements climatiques. Rapport rédigé dans le cadre d’une lecture dirigée avec Robert Beauregard et présenté au CIRCERB, mai 2016, 46 p.

Résumés de conférences ou affiches avec comité d’arbitrage

Breton, C., Blanchet, P., Beauregard, R., et Amor, B. (2018). Scrutinizing the climate change impacts of wood products in buildings: comparing conventional and dynamic LCA approaches in a case study. Résumé accepté pour une présentation orale le 25 septembre 2018. SETAC Europe 24th LCA Symposium. Vienne, Autriche.

Breton, C., Blanchet, P., Beauregard, R., et Amor, B. (2018). Les impacts climatiques du carbone biogénique : regard critique sur les méthodes d’évaluation courantes. Résumé accepté pour une présentation orale le 9 mai 2018. 86e congrès de l’ACFAS, Colloque 205 : De bois mal-aimé à produits à haute valeur ajoutée. Chicoutimi, Canada.

Breton, C., Blanchet, P., Beauregard, R., Amor, B., et Chang, W-S. 2017. Unveiling the Climate Change Mitigation Potential of a Mid-Rise Timber Building Using a Dynamic LCA Approach. Présentation orale, résumé accepté pour le LCA XVII Paper Proceeding. LCA XVII. Portsmouth (NH), États-Unis.

Breton, C., Blanchet, P., Beauregard, R., Amor, B., et Chang, W-S. 2017. Just How « Green » are Timber Buildings? Assessing the Climate Change Mitigation Potential of a Mid-Rise Timber Building through Dynamic LCA. Présentation orale, résumé accepté pour le Conference Proceedings. FPS71st Convention. Starkville (MS), États-Unis.

Breton, C., Blanchet, P., Beauregard, R., Amor, B., et Chang, W-S. 2017. Analyse comparative du potentiel de lutte aux changements climatiques d’un immeuble résidentiel de moyenne hauteur en bois selon deux méthodes d’analyse du cycle de vie. Présentation orale, résumé publié dans le programme du Colloque

xii

[en ligne]. 85e congrès de l'ACFAS, Colloque 206 : Le secteur forestier québécois : super-héros de la lutte aux changements climatiques. Montréal, Canada.

Résumés de conférences ou affiches sans comité d’arbitrage

Breton, C., Blanchet, P., Amor, B., and Beauregard, R. 2019. Construire en bois au Québec – Quel impact sur les changements climatiques? Présentation orale. Carrefour Forêts 2019 du Ministère des Forêts, de la Faune et des Parcs. 3 avril. Québec, Canada.

Breton, C., Blanchet, P., Amor, B., and Beauregard, R. 2019. Les produits du bois: quels impacts sur les changements climatiques? Présentation orale. Colloque facultaire 2019 de la Faculté de foresterie, de géographie et de géomatique de l’Université Laval. 21 mars. Québec, Canada.

Breton, C. 2018. Les impacts climatiques du carbone biogénique : regard critique sur les méthodes d’évaluation en analyse du cycle de vie (ACV). Présentation par affiche. Journée de la recherche étudiante en foresterie (Semaine des sciences forestières) 2018. Québec, Canada.

Breton, C. 2017. Caractérisation des impacts climatiques d’un bâtiment en bois selon deux méthodes de comptabilisation du carbone biogénique. Présentation par affiche. École professionnelle CIRCERB 2017. Québec, Canada.

Breton, C. 2017. La comptabilisation du carbone biogénique en analyse du cycle de vie des bâtiments. Présentation orale. Séminaire I, Université Laval. Québec, Canada.

Breton, C. 2016. Implications des nouvelles méthodes de comptabilisation du carbone biogénique pour le potentiel d’atténuation des changements climatiques de la forêt et des produits du bois. Discours express (180 s.) et affiche. Colloque facultaire de la Faculté de foresterie, de géographie et de géomatique de l’Université Laval. Québec, Canada.

Breton, C. 2016. Impact du carbone biogénique dans un projet de construction réel et sa considération en modélisation des données du bâtiment. Présentation par affiche. École professionnelle CIRCERB 2016. Québec, Canada.

1

Introduction

Le secteur du bâtiment représente à la fois une menace et une opportunité dans la lutte aux changements climatiques. Si la tendance se maintient, les efforts mondiaux actuels ne suffiront pas à contrôler le réchauffement planétaire sous la barre des 2°C en 2100 : pour respecter les objectifs de l’Accord de Paris, des efforts d’atténuation et des séquestrations de carbone supplémentaires seront nécessaires (Gasser et al., 2015). Le secteur du bâtiment émet actuellement jusqu’à 30% des émissions de gaz à effet de serre mondiales (UNEP, 2011; UNEP SBCI, 2009). Cependant, il présente aussi un grand potentiel d’atténuation des changements climatique. Dans ses 3e _{et 4}e _{rapports, le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC)} avance que les émissions actuelles du secteur du bâtiment pourraient être réduites de manière importante et efficace par l’utilisation de technologies existantes, et que ce potentiel pourrait être exploité à coût nul dans 80% des cas (Barker et al., 2007; Levine et al., 2007; Lucon et al., 2014). Si les meilleures pratiques étaient généralisées à l’ensemble des nouvelles constructions, il serait possible d’inverser la tendance et de faire du secteur du bâtiment un pilier de la lutte aux changements climatiques (Lucon et al., 2014). À court terme, d’ici 2030, le secteur du bâtiment présente donc à la fois un risque majeur pour l’environnement et un fort potentiel de réduction des émissions de GES.

Historiquement, les efforts d’atténuation visant le secteur du bâtiment étaient concentrés sur les impacts liés à l’opération des bâtiments. Ces impacts se produisent tout au long du cycle de vie du bâtiment: ils sont influencés par l’efficacité énergétique, et par la consommation électrique, le chauffage, l’éclairage, la climatisation, les conditions climatiques, les habitudes de vie des occupants, etc. (Rouleau et al., 2018). Ils constituent généralement la plus grande part des impacts totaux des bâtiments (Cole & Kernan, 1996; Ibn-Mohammed et al., 2013; Ramesh et al., 2010; Sartori & Hestnes, 2007). Toutefois, les impacts de l’énergie intrinsèque, liée aux matériaux de construction, capturent aujourd’hui une part grandissante des impacts environnementaux des bâtiments, et plus particulièrement dans le cas de bâtiment à faible consommation d’énergie (ex.: bâtiments passifs, bâtiments net-zéro) ou dans des contextes de bouquet énergétique à faible intensité carbone (Lessard

et al., 2017; Thormark, 2002). Les impacts intrinsèques sont liés à la production, à la mise en oeuvre, au maintien

et à la fin de vie des matériaux de construction. Contrairement aux impacts liés à l’énergie d’opération, les impacts liés à l’énergie intrinsèque sont majoritairement déterminés avant ou pendant l’érection du bâtiment; il est impossible de les réduire a posteriori. Les efforts pour les contrôler doivent donc avoir lieu tôt dans le processus de conception, notamment par le choix des matériaux de construction (Zabalza et al., 2011). Négliger les impacts des énergies intrinsèques par des pratiques ou des choix inefficaces aurait des répercussions importantes sur les cibles d’atténuation des changements climatiques, particulièrement à court terme (Architecture 2030, 2011). Si les meilleures pratiques de conception et de construction durable ne sont pas

2

adoptées dès maintenant, 80% de la consommation énergétique des bâtiments de 2005 pourrait être « garantie » jusqu’à 2050 : chaque nouveau bâtiment construit serait une occasion ratée de réduire l’empreinte carbone et la consommation énergétique de l’activité humaine (UNEP, 2013).

Une plus grande utilisation de produits à faibles impacts intrinsèques permettrait de réduire les émissions de GES du secteur du bâtiment. L’utilisation de biomatériaux tels les produits du bois permettrait de maximiser ces bénéfices en misant également sur la séquestration, le stockage et la substitution de carbone biogénique, le carbone issu de la biomasse (Kurz et al., 2013; Lemprière et al., 2013; Smyth et al., 2014). Malgré les bénéfices potentiels liés à une gestion intégrée du carbone biogénique incluant à la fois les secteurs du bâtiment et de la forêt et des produits du bois, déterminer les impacts environnementaux de tels systèmes reste un défi. L’analyse du cycle de vie (ACV) est utile pour déterminer les impacts environnementaux liés à la fonction principale d’un produit ou d’un service. C’est une méthodologie « particulièrement intéressante dans la perspective de durabilité puisqu’elle couvre l’ensemble du cycle de vie d’un produit et permet d’éviter que les améliorations environnementales locales soient la résultante d’un simple déplacement des charges polluantes » (Jolliet, et al., 2010). Cependant, il n’existe actuellement aucun consensus sur la modélisation du carbone biogénique en ACV. Parmis les approches existantes, l’approche la plus simple est de considérer le carbone biogénique comme (1) carboneutre et (2) entièrement émis dès la récolte (Lemprière et al., 2013; Røyne et al., 2016). Cependant, plusieurs études remettent cette approche en question car elle ne considère ni la répartition des émissions de CO2 dans le temps, ni la complexité des modèles de récolte forestière (Beauregard et al., 2012; Brandão et al., 2013; Cherubini et al., 2011; Guinée et al., 2009; Levasseur et al., 2010).

Les méthode d’ACV dites « dynamiques » sont une alternative aux méthodes conventionelles; elles permettent d’intégrer des considérations temporelles dans l’ACV par l’entremise de l’inventaire du cycle de vie (ICV) ou des méthodes d’évaluation des impacts du cycle de vie (ÉICV). Les approches dynamiques sont assez récentes et leur utilisation reste encore peu répandue, particulièrement en ACV du bâtiment (Anand & Amor, 2017; McManus & Taylor, 2015). Cela dit, parce qu’elle permet de considérer les aspects temporels, elle constitue une solution intéressante pour résoudre les enjeux identifiés précédemment. Imaginons un scénario ou deux émissions de CO2 d’amplitude égale (1 kg) mais de signe opposé sont espacées de 100 ans. Une ACV traditionnelle attribuerait un même facteur de caractérisation aux deux émissions, et considèrerait leur impact nul. Au contraire, une approche dynamique attribuerait un facteur de caractérisation de 1 à l’émission ayant lieu à l’année 0, et un facteur de 0 à l’émission ayant lieu à l’année 100, pour un résultat final de 1 ou -1. Ce résultat est cohérent : par rapport à l’horizon de temps étudié (100 ans), la première émission aura généré des impacts sur 100 ans, tandis que la seconde n’en aura eu aucun. Sur un horizon de temps infini, cette différence méthodologique n’a pas d’importance. Cependant, à l’échelle humaine, elle permet de différencier les impacts

3

environnementaux à court, moyen et long terme de différents systèmes. Le choix de l’horizon de temps influence énormément les résultats d’ACVD, mais cela est un avantage : cela permet d’évaluer les impacts d’un système par rapport à n’importe quel horizon de temps, et de tester la robustesse des conclusions par une analyse de sensibilité. En utilisant l’ACVD, il devient possible d’attribuer une valeur au stockage temporaire du carbone biogénique, et ainsi d’éviter des hypothèses simplificatrices (1) et (2).

Ce mémoire par articles, composé d’un article publié et d’un autre en préparation, explore les impacts environnementaux liés à l’utilisation des produits du bois dans le bâtiment par une étude de cas comparant les méthodes d’ACV statique et dynamique. Le premier article (Chaptire 1) identifie une approche dynamique adaptée au domaine complexe de l’ACV du bâtiment, tandis que le second article (Chapitre 2) présente un exemple d’application de la méthode choisie à une étude de cas. Le sujet d’étude était les Habitations Trentino, un bâtiment de quatres étages situé à Québec et composé de deux blocs ayant des systèmes structuraux en bois distincts (lamellé-croisé et ossature légère).

4

Objectifs du projet

L’objectif général du projet est de démontrer les bénéfices environnementaux d’une plus grande utilisation de produits du bois issus d’un aménagement forestier durable dans le secteur du bâtiment.

Les objectifs spécifiques du projet sont :

 Identifier une méthode d’ACV dynamique adaptée aux contraintes de l’ACV du bâtiment par une revue de littérature critique du domaine.

 Comparer l’application et les résultats de la méthode dynamique identifiée à une ACV statique par une étude de cas.

5

Rétrospective méthodologique

Ce projet de maîtrise était initialement intitulé Impact du carbone biogénique dans un projet de construction en

bois réel et sa considération dans les BIM – Étude de cas. L’objectif du projet était alors de quantifier les impacts

environnementaux réels de l’utilisation du carbone biogénique dans un projet de construction. Les objectifs spécifiques du projet étaient :

 Modéliser l’ensemble du bâtiment dans Revit, un logiciel de modélisation des données du bâtiment (BIM, Building Information modelling);

 Réaliser une analyse de cycle de vie (ACV) du bâtiment avec le logiciel OpenLCA selon les normes ISO14040 et 14044;

 Comparer les résultats de l’ACV du bâtiment aux résultats fournis par le logiciel UBUBI (Uncertain but

Useful Building Information), un outil d’analyse d’impact environnemental intégré à Revit, un logiciel de

modélisation des données du bâtiment.

Le projet initial devait se terminer à l’été 2017 (cinq sessions) ou à l’automne 2017 (six sessions). Plusieurs impondérables ont cependant retardé le développement du logiciel UBUBI. En novembre 2016, aucune version utilisable n’était encore disponible, ce qui remettait en question la faisabilité du projet. Le comité directeur a donc pris la décision de réorienter le projet vers la remise en causede deux hypothèses simplificatrices de modélisation du carbone biogénique en ACV du bâtiment : les hypothèses de carboneutralité et d’émission à la récolte.

À l’hiver 2017, un stage à l’Université de Bath visait principalement à étudier la littérature sur ces thèmes. C’est suite à ce stage que le projet a été réorienté sous la forme présentée dans ce mémoire. En avril 2017, il a été conjointement décidé par le superviseur de stage (Pr. Wen-Shao Chang) et le comité directeur du projet que la revue de littérature réalisée lors du stage représentait une contribution importante pour le domaine, et qu’elle ferait l’objet d’un article de revue. L’article, publié dans la revue Sustainability, est présenté au Chapitre 1; c’est pourquoi ce mémoire ne contient pas de section Revue de littérature.

L’analyse du cycle de vie (ACV) réalisée dans le cadre du projet initial a pu être récupérée lors de la réorientation du projet. L’ACV des Habitations Trentino réalisée par le CIRAIG (SimaPro, EcoInvent 3.2) avait déjà été remodélisée dans OpenLCA et mise à jour vers la base de données EcoInvent 3.3. Cette ACV utilisait alors une approche traditionnelle ou statique. Suite à la réorientation du projet, le modèle d’ACV et la méthode d’évaluation des impacts du cycle de vie ont pu être adaptés pour être compatibles avec la méthode d’ACV dynamique du

6

potentiel de réchauffement global biogénique (PRGbio); un script Matlab a été préparé afin de pouvoir appliquer la méthode du PRGbio à plusieurs produits du bois, pour différentes périodes de rotation et différentes durées de vie de produits. Ces travaux sont décrits en détails au Chapitre 2 de ce mémoire.

L’ACV présentée au Chapitre 2 a nécessité certaines hypothèses préalables. Des itérations préliminaires ont révélé que le chauffage à la biomasse des Habitations Trentino (via le chauffage centralisé de la Cité Verte) occupait une part extrêmement importante des émissions de GES totales du bâtiment, notamment en raison des quantités importantes de carbone biogénique consommées sur l’ensemble du cycle de vie, mais aussi en raison de la modélisation du système de produit dans l’ACV (sans allocation). Afin de limiter ces impacts, de façon à obtenir des résultats plus représentatifs pour les bâtiments résidentiels multi-étages québécois, le chauffage centralisé à la biomasse a été remplacé par un chauffage au gaz naturel. Dans le cas du chauffage à la biomasse consommée par les processus de transformation du bois, aucun facteur d’allocation n’a été appliqué. Comme seule une partie des coproduits de transformation est utilisée pour le chauffage, cela implique que les impacts associés au chauffage à la biomasse sont surestimés par rapport aux impacts réels. Néanmoins, les scénarios d’ACV statique et dynamique étudiés restent comparables. Parmi les autres produits du bois contenus dans les Habitations Trentino, seuls quatre ont été modélisés de manière dynamique : le lamellé-croisé, le lamellé-collé et le bois d’œuvre, utilisé pour modéliser à la fois des éléments structuraux et le parement extérieur en raison de la similarité des processus. Ces produits ont été choisis pour (i) leur contribution à la masse totale de carbone biogénique des Habitations Trentino; (ii) la disponibilité et la qualité des informations relatives à leur modélisation dynamique. Afin d’équilibrer les bilans de masses de carbone biogénique dans la production de ces produits, il a été supposé que ces trois produits étaient entièrement composés d’épinette noire. Ces simplifications limitent la représentativité des impacts environnementaux précis des Habitations Trentino, mais elles n’entravent pas les objectifs principaux de comparer les approches statique et dynamique.

En rétrospective, les retombées du projet présenté dans ce mémoire correspondent aux orientations générales du projet initial. L’étude de cas permettra de mieux documenter les bénéfices environnementaux liés à l’utilisation des produits du bois en construction, ce qui pourrait devenir un argument-clé pour l’utilisation du matériau bois dans les grands projets de construction. De plus, en démontrant l’application d’une approche d’ACV dynamique simplifiée, les retombées de ce projet contribueront à rendre les analyses de cycle de vie plus complètes et accessibles aux entreprises et aux professionnels du milieu de la construction du Québec et d’ailleurs.

7

Chapitre 1. Assessing the Climate Change Impacts

of Biogenic Carbon in Buildings: A Critical Review

of Two Main Dynamic Approaches

Résumé

Les produits du bois sont estimés pour leur caractère renouvelable et leurs faibles impacts environnementaux. Ils contiennent du carbone biogénique; du carbone issu de processus biologiques, faisant partie du domaine rapide du cycle du carbone. Une plus grande utilisation des produits du bois (PDB) issus d’un aménagement forestier durable dans le secteur du bâtiment présenterait un important potentiel d’atténuation des changements climatiques. Cependant, il est difficile de quantifier précisément les bénéfices attendus. Il n’existe encore aucun consensus sur la modélisation des impacts du carbone biogénique en analyse du cycle de vie (ACV). Pour une même étude, différents choix méthodologiques peuvent parfois mener à des conclusions opposées. Alors que l’ACV est de plus en plus utilisée comme outil d’aide à la décision, de tels enjeux méthodologiques pourraient mener à des décisions ou à des politiques inefficaces, voire contreproductives. Cette revue critique des méthodes d’évaluation d’impacts du carbone biogénique compare deux approches dynamiques, et suggère l’utilisation d’une d’entre elles pour l’ACV du bâtiment.

Abstract

Wood is increasingly perceived as a renewable, sustainable building material. The carbon it contains, biogenic carbon, comes from biological processes; it is characterized by a rapid turnover in the global carbon cycle. Increasing the use of harvested wood products (HWP) from sustainable forest management could provide highly needed mitigation efforts and carbon removals. However, the combined climate change benefits of sequestering biogenic carbon, storing it in harvested wood products and substituting more emission-intensive materials are hard to quantify. Although different methodological choices and assumptions can lead to opposite conclusions, there is no consensus on the assessment of biogenic carbon in life cycle assessment (LCA). Since LCA is increasingly relied upon for decision and policy making, incorrect biogenic carbon assessment could lead to inefficient or counterproductive strategies, as well as missed opportunities. This article presents a critical review of biogenic carbon impact assessment methods, it compares two main approaches to include time considerations in LCA, and suggests one that seems better suited to assess the impacts of biogenic carbon in buildings.

1. Introduction

It was suggested that to keep warming below 2 °C in 2100 and reach the goals set by the Paris Agreement, building construction must become carbon-neutral or carbon-negative before 2030 [1]. Reaching this objective will require substantial efforts, as the building sector emits up to 30% of global GHG emissions [2]. By implementing adapted and efficient strategies, the large mitigation potential of buildings could be exploited at a low to negative cost using available technologies, while providing other value-added benefits [3]. Otherwise, due to the long life cycles of buildings, current suboptimal practices could be locked in for several decades, which would represent a threat for climate change mitigation [4].

8

The environmental impacts of buildings can be split into embodied and operational impacts. Here, the term impacts is limited to two common climate change indicators: energy (in MJ) and carbon, which is commonly used in the literature as a substitute for total GHG emissions (in kg CO2eq) [5]. Embodied impacts are influenced by construction practices and the inherent characteristics of building materials; they include all related activities over the building’s cradle-to-grave life cycle, from the extraction of primary resources to the disposal of products at the end of life [6–8]. Operational impacts are generated during the use phase for heating, lighting, ventilation and air conditioning (HVAC), and the operation of appliances; they are directly influenced by the habits and behavior of the occupants [9]. Operational impacts are traditionally greater than embodied impacts [8,10–12], but technical improvements and stricter environmental regulations contributed to shift this balance. Embodied energy and carbon now occupy a growing share of a building’s total impacts, especially in newer, less energy-intensive constructions [7]. Embodied energy can reach up to 46% of a building’s total energy consumption [13]. In contexts where the operational energy is produced from low-carbon sources, the embodied energy of construction materials is of greater importance, and can represent more than 50% of total impacts in some cases [14]. This impact shift highlights the importance of building materials, which must be addressed to maximize the climate change mitigation potential of the building sector [15].

Using more biomaterials is a promising avenue to reduce the climate change impacts of the building sector. Biomaterials are often renewable, locally sourced, and their production and transformation requires relatively low energy. Another key argument in favor of biomaterials is the origin of the carbon they contain, biogenic carbon. Biogenic carbon comes from biological processes. By opposition to fossil carbon, it is part of the fast domain of the global carbon cycle, with much faster reservoir turnover rates [16]. It is subject to relatively fast, two-way exchanges between carbon pools in the atmosphere and the biosphere. On a human timescale, the emission of fossil carbon is a permanent, one-way addition of carbon to the atmosphere. In contrast, the emission of biogenic carbon is part of the contemporary carbon cycle; it does not constitute a long-term net addition in the atmosphere. Three benefits of using biomaterials are increasingly recognized. For the same target operational performance, it can (i) reduce the life cycle GHG emissions associated with material extraction and manufacturing; (ii) temporarily store biogenic carbon in the anthroposphere ; and (iii) limit GHG emissions by substituting other, more emission-intensive construction materials. These potential benefits explain why green building rating systems (e.g., LEEDv4) now promote the use of certified harvested wood products (HWP) and other bio-based, reused, recycled and local materials to reduce the impacts of buildings [17], and why several studies advocate that wood buildings can achieve lower embodied and operational carbon than conventional buildings [18–22].

Including wood buildings in integrated biogenic carbon management approaches could also generate additional, necessary mitigation efforts and GHG removals. Forest ecosystems are large terrestrial carbon sinks; they play a critical role in the global carbon cycle [23]. However, under the effect of land-use change or natural disturbances (e.g., insects, diseases, fires), forests can become equally large carbon sources. Such natural disturbances are expected to become more prevalent with climate change [24]. This portends an important threat: If terrestrial carbon sinks were weakened or became net CO2 emitters, the benefits of other carbon mitigation efforts would be reduced or overwhelmed [25]. Stimulating integrated biogenic carbon management approaches can reduce the risk of forest carbon emissions (fires, insects, etc.); increase carbon sequestration through improved primary productivity; and augment carbon stocks in the anthroposphere as harvested wood products (HWP). Rather than focusing on isolated benefits, integrated management approaches aim to minimize net GHG emissions into the atmosphere [26]. They are described as

9

𝐸 = 𝐹 + 𝑃 + 𝐷 (1)

where each term represents the net GHG emissions from (F) the forest; (P) the harvested wood products, bioenergy, end-of-life treatment and decay; and (D) the substitution of alternative fuels or materials [27]. With their large environmental impacts and relatively long lifespan, buildings represent a compelling case for integrated approaches. By sequestering high amounts of biogenic carbon in biomaterials such as harvested wood products (HWP), the built environment could become one of the largest terrestrial stocks of carbon dioxide [28]. Using more biomaterials could also encourage sustainable forest management practices and provide substitution benefits. Actively managing the F, P and D carbon pools through such approaches could contribute to the missing mitigation efforts and carbon removals required to keep global warming below 2 °C in 2100 [29], and provide the greatest combined mitigation potential for forests and wood products [23,25–27,30].

Whether the climate change mitigation potential of using more biomaterials in buildings can be leveraged depends on well-informed, efficient strategies to encourage and adopt best practices. Despite the expected benefits of integrated approaches, assessing their actual contribution to climate change is an ongoing challenge. Life cycle assessment (LCA) is a well-documented, standardized, iterative framework used to assess and compare the environmental impacts of products or services over their life cycle. LCA is regularly applied to construction materials and buildings [10,21,31,32], and is increasingly used in decision-making, policy application and compliance, and building certification systems [13,33]. The increased interest for LCA led to several developments that widened its scope, but also multiplied the availability of subjective methodological choices [34–36]. The life cycle impact assessment (LCIA) of biogenic carbon is one such area where guidance is needed. Despite a mature debate [37,38], there is currently no consensus on how to evaluate the potential life cycle global warming impacts of biogenic carbon emissions in LCA. Modelling those impacts requires a robust understanding of their contribution to atmospheric concentrations and radiative forcing over time. Establishing consensual biogenic carbon evaluation guidelines is necessary to minimize subjective methodological choices and to adequately inform efficient climate change mitigation strategies [35,39]. The life cycle of biomaterials is characterized by periods of GHG emissions and removals; accounting for time can have significant consequences on the results and, in some cases, lead to opposite conclusions [40]. However, the treatment of time in LCA is another area where guidance is needed. Recent approaches allow the inclusion of time considerations in LCA, but this remains uncommon, and is mostly handled on a case-by-case basis [34]. Despite the importance of time aspects for biomaterials and buildings, limited information is available for including time in building LCA [15,41,42]. The primary goal of this article is to present a critical review of biogenic carbon impact assessment methods, to compare two main approaches to include time considerations in LCA, and to identify one that is well suited for the assessment of biogenic carbon in current building LCA practice.

2. Methodology

This article reviews life cycle impact assessment (LCIA) approaches to evaluate the global warming impacts of biogenic carbon. More specifically, it focuses on methods to include time in the LCIA of biogenic carbon in process-based, attributional LCA, which is the most common approach in building LCA [43]. Process-based models describe the exchanges of commodity flows between the processes of a specific product system [44], while attributional LCA evaluates the environmental impacts of the studied life cycle as it exists, generally using average data [45].

10

To foster a more comprehensive review, a more intuitive, critical review process was combined with systematic queries, which allowed an exhaustive review of the related literature. Critical reviews are less systematic than other approaches to literature reviews, but are useful to differentiate competing schools of thought and provide a strong basis for further research [46]. To reach a sufficient depth of understanding, or conceptual depth [47], relevant literature was added iteratively using a combination of the ‘Building blocks’, ‘Citation pearl growing’, ‘Successive fractions’ and ‘Berry picking’ search strategies (Table 1) [48].

Table 1 Search strategies used for the critical review of the literature—Adapted from [48].

Building Blocks Subdividing a search query in multiple items, including variants and synonyms,

and then combining these items using Boolean operators.

Citation Pearl Growing Finding and scanning key relevant citations for relevant terms that might have

been excluded from the original search strategy.

Successive Fractions Sifting databases for small sets of highly relevant articles by successively adding

new items to a query using the AND operator.

Berry Picking Scanning articles for relevant references, citations, authors and journals, then

consulting the selected references continuously, in a backward chain.

The first consulted articles described how integrated biogenic carbon management approaches including forests, harvested wood products and displaced emissions can minimize net GHG emissions to the atmosphere [25,27,30]. Relevant articles were then added iteratively through the four search strategies (Table 1). For the building blocks and successive fractions strategies, the keywords synthesized in Table 2 were combined using Boolean operators in different document retrieval systems (Engineering Village, Université Laval’s library database Ariane, Google Scholar, Mendeley webservice). Primary keywords defined the core topics of the queries; they were combined with secondary keywords to refine the results. The citation pearl growing and berry picking strategies were then used to identify other relevant authors, journals and articles for the critical review. Research stopped when conceptual depth was deemed satisfactory. This was defined as the point where further iterations of search strategies added no new elements to the overall understanding of the literature within the scope of the review [47]. This point is influenced by practical constraints (time, resources) and is inevitably arbitrary [49], but defining these limitations does not limit the relevance of this review’s findings [50]. Sixty-five articles were identified and reviewed through this process.

Table 2 Synthesis of primary and secondary keywords used in the global scope of the review. Primary Keyword Life Cycle * Metrics Carbon * Building *

Secondary Keyword

Analysis (LCA) * Emission Accounting Biomaterials * Assessment (LCA) * Global warming Biogenic * Construction *

Attributional Climate change Embodied Harvested wood products

Dynamic * Forest * Materials

Impact assessment (LCIA) Footprint Sustainable Sequestration Timber Storage Wood Substitution

* Keywords used in the systematic queries.

The more intuitive review process was complemented with systematic queries to ensure a thorough verification of related articles, and to confirm the conceptual depth of the review. Keywords marked with an asterisk (*) cover central themes of this review and are not overly restrictive. They were combined in the five following queries in Engineering Village:

11 2. (1.) AND (“building” or “construction”)

3. (1.) AND ("biogenic" or "forest") AND "carbon" 4. (1.) AND "biomaterials"

5. (1.) AND (“building” or “construction”) AND ("biogenic" or "forest") AND "carbon"

Records were retrieved from the Compendex, Inspec, GEOBASE, GeoRef and Knovel databases for the period 1666–2018. Query 1 returned 1335 records. An overview revealed that several records were either unrelated to desired applications (biomaterials, HWP, buildings, etc.), or restricted the term “dynamic” to life cycle inventory (LCI) or prospective elements (dynamic modelling, programming, simulation, scenario analysis, etc.) unrelated to the scope of the study. Queries 2–5 were more restrictive and returned fewer, more relevant records (Figure 1). Duplicates were excluded, then the detailed records (including titles and abstracts) were screened for eligibility. Records were rejected if they used different meanings of “dynamic” (e.g., in seismic, thermal simulation or energy-related applications); if they clearly used standard LCI and LCIA practice; if they strictly focused on LCI elements unrelated to biomaterials; or if they did not mention using dynamic LCI or LCIA. When the detailed records did not suffice to include or exclude an article from the scope of the study, the full paper was screened using the same criteria. After screening, the remaining 43 articles were included in the review, complementing the 65 articles identified through the search strategies presented in Table 1 (Figure 1).

Figure 1 Results of the systematic queries—Adapted from the PRISMA flow diagram (Moher et al.,

2009).

The 108 articles identified through systematic queries and search strategies were further reviewed to identify approaches allowing the inclusion of time considerations in the LCIA of biogenic carbon. In total, 28 of the 43 articles identified through systematic queries (S) and 30 of the 65 articles identified through other search strategies (R) were compared, for a total of 58 potential approaches. Articles using, recommending or updating other existing approaches were grouped together, resulting in a total of 20 different approaches. This process and the identified approaches are further described in Section 3.3. The 50 remaining articles (15 from the systematic review, 35 from the search strategies) did not specifically cover the related approaches; they were excluded from the comparison, but provided background for the critical review of the literature (e.g., [38,52–57]).

12

3. Critical review of the literature

Since biogenic carbon gained interest in the 1990s [58,59], its climate change impacts have been extensively debated [52,57,60–62]. The simplest, first approach was to disregard biogenic carbon entirely, by excluding it from the LCA [63]. Common assumptions were to consider that (i) over the life cycle, biogenic carbon emissions are offset by equivalent removals, for a result of net zero emission; and (ii) that biogenic carbon stocks in the anthroposphere are finite and stable. Assuming biogenic carbon is carbon neutral (i) attributes a characterization factor (CF) of zero to any biogenic CO2 emission, thus excluding it from the life cycle impact assessment (LCIA). Assuming biogenic carbon is entirely emitted at harvest (ii) means that any new harvested wood product replaces a similar product, resulting in a neutral GHG emission and a net neutral effect on climate change [25]. This prevents any incentive for the temporary storage of biogenic carbon in HWP [64]. The assumptions of carbon neutrality (i) and emission at harvest (ii) were later recognized as oversimplifying [30,65]. However, before further addressing the specific LCIA of biogenic carbon, a synthesis of conventional LCIA practice is presented as a basis for further discussions.

3.1. Conventional LCIA Metrics for Climate Change

The potential impacts of GHG emissions can be aggregated and evaluated at different points of the cause–effect chain of the climate change impact category (Figure 2). Life cycle GHG emissions (e.g., kg CO2, kg CH4, kg N2O) are converted in global warming impacts using an emission metric, and then reported as a midpoint (e.g., cumulative radiative forcing) or endpoint indicator (e.g., malnutrition, extinction of species). Endpoint indicators can also be grouped in damage categories that affect areas of protection that have recognizable value to society (e.g., human health, ecosystem quality) [66]. Endpoint indicators can thus be more relevant for policy making. However, since they are further down the cause-effect chain, they are also more uncertain. Midpoint indicators are currently more common in global warming LCIA practice [55].

Figure 2 Position of two common metrics, global warming potential (GWP) and global temperature

change potential (GTP), on the cause-effect chain of climate change—Adapted from [55,67].

Emission metrics can be broadly categorized by (i) the modelled climate change indicator (e.g., radiative forcing, temperature change, sea level rise, precipitation change); (ii) the desired type of results (absolute or normalized); and (iii) the studied impacts (instantaneous or integrated/cumulative) [54]. Absolute results express the value of a specific indicator; they can be used to compare the impacts of different GHG emissions over time. Normalized

13

results express the relative impact of a given indicator compared to a reference gas, usually CO2. Instantaneous metrics evaluate the impacts of a GHG emission at a specific point in time, while for the same emission, cumulative metrics express the integrated impacts over time until a chosen time horizon is reached [68]. Other important differences between global warming metrics are the assumptions regarding emission scenarios (constant or variable background emissions), and the time dimension chosen for the analysis (fixed or variable time horizon) [54]. In fixed time horizon (sliding window) metrics, the impacts of GHG emissions are assessed over a given duration, independently of the length. Emission metrics can be broadly categorized by (i) the modelled climate change indicator (e.g., radiative forcing, temperature change, sea level rise, precipitation change); (ii) the desired type of results (absolute or normalized); and (iii) the studied impacts (instantaneous or integrated/cumulative) [54]. Absolute results express the value of a specific indicator; they can be used to compare the impacts of different GHG emissions over time. Normalized results express the relative impact of a given indicator compared to a reference gas, usually CO2. Instantaneous metrics evaluate the impacts of a GHG emission at a specific point in time, while for the same emission, cumulative metrics express the integrated impacts over time until a chosen time horizon is reached [68]. Other important differences between global warming metrics are the assumptions regarding emission scenarios (constant or variable background emissions), and the time dimension chosen for the analysis (fixed or variable time horizon) [54]. In fixed time horizon (sliding window) metrics, the impacts of GHG emissions are assessed over a given duration, independently of the length of the studied life cycle or the period over which the GHG emissions are assessed. This guarantees an equal assessment of the impacts of all GHG emissions. In variable time horizon (fixed endpoint) metrics, the length of the time horizon changes relative to the last year of the period over which the GHG emissions are assessed. Emissions that occur early in the life cycle are assessed with longer time horizons, and are thus given greater impact. Impacts that occur after the fixed endpoint are excluded from the analysis. This increases the sensitivity of fixed endpoint methods to the choice of time horizon. However, it also avoids inconsistencies when assessing the impacts at any chosen future time horizon; combined with sensitivity analyses, this can be useful for decision-making [54]. This is further discussed in Section 3.3.

Normalized metrics prevail in current global warming LCIA practice [69]. Since its introduction in the first assessment report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) [70], the global warming potential (GWP)—and more specifically GWP100—is by far the most common emission metric. It measures the cumulative impact of a given GHG emission on the Earth’s radiative forcing relative to the impact of a CO2 emission, over a fixed and predetermined time horizon (e.g., 100 years). However, this inadvertent consensus was based on an illustrative example, rather than the result of conclusive scientific evidence [68,71–74]. Critics of the GWP100 argue that despite being named global warming potential, it does not measure actual warming [75]. Moreover, it can be inaccurate when comparing the impacts of short- and long-lived GHG [76,77]. Global temperature change potential (GTP) is the second most common emission metric; it was suggested as an alternative to GWP. GTP goes one step further down the climate change cause-effect chain by modelling the instantaneous impact of GHG emissions on temperature change. For this reason, it might be more policy relevant [72]. Table 3 categorizes the normalized metrics GWP and GTP in relation to other related metrics: absolute global warming potential (AGWP), absolute global temperature change potential (AGTP), integrated GTP (iGTP) and integrated AGTP (iAGTP).

14

Table 3 Non-exhaustive list of global warming metrics—Adapted from [55]. Absolute Metrics Normalized Metrics Climate Change Effect Instantaneous Cumulative Instantaneous Cumulative

Radiative forcing AGWP GWP

Temperature change AGTP iAGTP GTP iGTP

3.2. Time in Conventional LCIA Practice

There are three main time considerations in LCA: (1) The characterization time horizon (hereafter named time horizon), which is the time used in the emission metrics; (2) the period of assessment, which describes the temporal boundary of the studied LCA system; and (3) the life cycle, which is the total duration of the product’s life cycle [52]. In conventional LCA practice, for each studied GHG, the life cycle emissions are summed over the period of assessment, then multiplied with their respective characterization factor (CF). The CF is the value of the chosen emission metric for a given time horizon. In the case of normalized emission metrics (e.g., GWP100), the potential impacts of each GHG are then combined to get the total global warming impact in kg CO2eq. This approach can be described as static: It does not consider the influence of time considerations in LCA. Even without considering the issues it poses for biogenic carbon LCIA, this conventional approach to LCIA was challenged. For a given time horizon (TH), emission metrics conventionally result in single, separate indicators for each GHG. Selecting a single combination of emission metric and TH for LCIA is challenging, as the results are sensitive to both parameters. Because of embedded value judgements, the use of a single metric and time horizon for decision-making purposes risks promoting incomplete, suboptimal or counterproductive strategies [56].

Using a variety of metrics can help better represent the short-, mid- and long-term impacts of GHG emissions. Although it is imperfect, GWP100 is still commonly used in LCA [56]. Since it correlates well with a temperature rise in 40 years (GTP40), it is an interesting mid-term indicator for climate change [78,79]. GWP20 has been suggested for short-term impacts, and GTP100 for long-term impacts [54,56,80]. De Rosa et al. [60] also suggested the use of GWP500 since it correlates well with the long-term impacts linked to cumulative warning; however, the IPCC’s 5th _{assessment report does not provide GWP500 values for well-mixed GHGs because of} the high associated uncertainties [81]. Cherubini and Tanaka [78] and Levasseur et al. [54] both advocate the use of GWP20, GWP100 and GTP100 for global warming impact assessment; the former also recommends expressing GWP results in CH4 equivalents (rather than CO2eq) to avoid confusion and better differentiate between short- and long-term impacts. Using shorter time horizons with cumulative metrics can also be an indicator of the rate of temperature change [54]. These recommendations on the climate change impact assessment of GHGs will undoubtedly enhance modelling harmonization and the robustness of LCA results in a decision-making context, and are relevant for the impact assessment of biogenic carbon and for building LCA in general. However, using conventional, fixed time horizon metrics is not sufficient to accurately assess the global warming impacts of biogenic carbon, even if multiple time horizons are used (e.g., 20, 100, 500). Because of the dynamics linked with biogenic carbon emissions and removals, time plays an important role in the LCIA of biogenic carbon. Time considerations such as temporary carbon storage were key elements in the development of biogenic carbon LCIA methodologies, and must be generalized to enhance current biogenic carbon assessment practices.

3.3. Approaches to Include Time in the LCIA of Biogenic Carbon

After first excluding biogenic carbon from the LCIA, developments in biogenic carbon LCIA approaches rejected the assumptions of carbon neutrality (i) and emission at harvest (ii), and acknowledged the potential benefits of

15

temporary carbon storage. These methods also used a static LCI of GHG emissions and conventional CF, but assigned credits based on the duration of carbon storage for a given GHG emission. The Moura-Costa [82] and Lashof [83,84] methodologies are two examples that belong to this second category (Category 2, see Table 4). Both approaches use a fixed time horizon, but assign credits differently. The Moura-Costa gives credits based on an equivalence between ton-years of CO2 and one ton of CO2eq. Temporarily storing biogenic carbon for 48 years is equivalent to avoiding one ton of CO2 emissions. The Lashof approach gives credits based on the fraction of impacts pushed outside of the period of assessment by the storage period. Temporarily storing biogenic carbon for a number of years is equivalent to delaying a fossil CO2 emission by the same number of years [52,53].

According credits for temporary carbon storage was later debated. In 2011, the Expert Workshop on Temporary Carbon Storage for use in Life Cycle Assessment and Carbon Footprinting (hereafter named the Expert Workshop) aimed to identify the most appropriate assessment method. The outcomes of the Workshop are reported in Brandão and Levasseur [53], and synthesized in Brandão et al. [52]; both publications are a good synthesis of the development of biogenic carbon assessment methodologies. During the Expert Workshop, existing approaches were reviewed, and the potential benefits and risks of temporary carbon storage were outlined [52,53]. Temporary carbon storage can postpone climate change; it can buy time for technological progress, capital turnover and learning; it can potentially result in some permanent sequestration; etc. [85,86]. However, by temporarily reducing atmospheric CO2 concentrations, biogenic carbon storage can lower the CO2 removal rates of other sinks (e.g., oceans), eventually leading to higher atmospheric concentrations and temperatures when the carbon is later released. It was argued that to fully assess the global warming impacts of biogenic carbon, (i) the instantaneous effect of increased temperature, (ii) the rate of temperature increase and (iii) the cumulative effect of increased temperature must all be considered [87–90]. No consensus was reached at the Expert Workshop regarding how—and if—temporary carbon storage should be considered in LCA, and no methodologies were recommended for the LCIA of biogenic carbon. However, the workshop identified key knowledge gaps and established some common ground in the assessment of biogenic carbon [52,53]:

 Biogenic carbon assessment requires a better understanding of the dynamics of the global carbon cycle;

 The definition of time boundaries for any LCA is highly sensitive and subjective, but temporal issues should be included in the assessment of biogenic carbon;

 For any form of temporary carbon storage, transparency is important, and both short- and long-term impacts should be considered;

 The use of single metrics (e.g. GWP100) is insufficient, as only multiple indicators can express the full scale of global warming impacts (cumulative and instantaneous climate effects). No preference was given to having either three mid-point metrics or a single, aggregated end-point metric.

The Expert Workshop coincided with the development of dynamic approaches—methods to include time considerations in LCA. These dynamic approaches recognize that the global warming impacts of GHG emissions are directly linked with the changes in atmospheric concentrations of GHG over time. Consequently, the neutrality of carbon emissions over a given life cycle does not assure a neutral effect on the climate.

Based on the reviewed articles, dynamic approaches can be further split in two categories. Category 3 describes methods that include system dynamics and time in the LCI (e.g., forest carbon emissions, removals, temporary carbon storage) but uses static, fixed time horizon emission metrics. For example, Levasseur et al. [91] combined