Greffe, Titouan
(2025).
« Développement d'un modèle de caractérisation des impacts du cycle de vie de la dissipation des ressources abiotiques » Thèse.
Montréal (Québec), Université du Québec à Montréal, Doctorat en sciences de l'environnement.
Fichier(s) associé(s) à ce document :
Résumé
Les ressources minérales et fossiles sont intimement liées au développement des sociétés industrielles. De l’exploitation du premier puits de pétrole en Pennsylvanie en 1859 jusqu’à l’utilisation de plus en plus massive des terres rares depuis les années 2020 telles que le néodyme dans les aimants permanents des éoliennes, les ressources n’ont cessé de fournir des services aux êtres humains. Le pétrole est majoritairement utilisé en tant que carburant pour le transport de passagers et de marchandises. Le phosphate est utilisé majoritairement en tant que fertilisant pour augmenter la production de nourriture. Ainsi les ressources minérales et fossiles ont une fonctionnalité propre et rendent des services différents à la société. Les ressources rendent des services à la société quand elles sont présentes dans des produits ou technologies que nous utilisons. C’est le cas par exemple du lithium dans la batterie de mon ordinateur me servant à rédiger cette thèse. Ainsi, si l’on veut pouvoir répondre aux besoins de la population mondiale, il est essentiel de maintenir un stock de ressources fonctionnelles pour fournir des services à la société. Cependant, il y a des pertes de ressources ayant lieu à l’étape d’extraction des ressources, lors de leur utilisation dans des produits et lors de leur fin de vie. Ces ressources perdues peuvent être considérée comme dissipées, c’est à dire qu’elles se retrouvent dans un stock inaccessible. Par exemple, les métaux dispersés dans les champs agricoles via l’application de pesticides ne sont plus récupérables car leur concentration dans les sols est très faible. Si l’on veut guider la prise de décision pour changer nos systèmes de production pour limiter la dissipation des ressources, il nous faut un indicateur nous permettant d’estimer l’ampleur des conséquences de la dissipation pour les générations présentes et futures. L’analyse du cycle de vie (ACV) est un outil d’évaluation des impacts potentiels d’un système de produit ou de service, qui permet de guider la prise de décision. Pour caractériser l’impact potentiel d’un flux dissipatif, il est nécessaire de développer un modèle de caractérisation fournissant des facteurs de caractérisation pour chaque flux dissipatif. Bien que plusieurs modèles d’évaluation des impacts du cycle de vie (ÉICV) de la dissipation des ressources aient été proposés dans la littérature, aucun ne prend en compte la fonctionnalité des ressources ainsi que l’évolution de la demande des services rendus par les ressources dans différents scénarios d’évolution de la société. Cette thèse vise donc à développer un modèle d’évaluation des impacts du cycle de vie de la dissipation prenant en compte la fonctionnalité des ressources et l’évolution de la demande des services rendus par les ressources à l’avenir. Pour atteindre cet objectif principal, quatre sous-objectifs spécifiques ont été définis et quatre articles scientifiques ont été rédigés pour répondre à chaque sous-objectif spécifique. Le premier sous-objectif a été d’établir un cadre méthodologique permettant de caractériser les conséquences de la dissipation d’impact en termes de pertes de services rendus par les ressources. Deux principales voies d’impact ont été mises en lumière : d’une part, l’adaptation à la perte de service (qui représente un coût pour la société pour remplacer le service perdu à cause de la ressource dissipée) et d’autre part, la perte de service (lorsque la ressource dissipée est irremplaçable en tenant compte des stocks, des capacités de production et de l’évolution de la demande). Pour opérationnaliser ce cadre méthodologique, il est essentiel de modéliser de manière prospective l’évolution de la production des ressources et de la demande (i.e. sous- objectif 3). Cependant, au préalable, il est important de bien comprendre les interrelations entre les ressources qui sont extraites de manière conjointes dans les mêmes minerais. Le sous-objectif 2 vise donc à établir ces relations à l’aide de matrices sous-produits/hôtes. Finalement, le sous objectif 4 vise à opérationnaliser le cadre méthodologique par le calcul de facteurs de caractérisation pour les deux voies d’impact identifiées (adaptation et manque). La première étape porte sur l’établissement d’un cadre conceptuel permettant de guider le développement d’un modèle de caractérisation de la dissipation. Le cadre conceptuel décrit la chaîne de cause à effet liant les flux de dissipation de l’inventaire à l’effort additionnel pour compenser la perte des services induite par la dissipation. Il fournit également un cadre conceptuel pour décrire les conséquences de la dissipation sur le stock accessible pouvant être utilisé pour fournir les services. La dissipation contribue à la baisse du stock accessible. Il est donc potentiellement nécessaire d’extraire la ressource dans l’environnement et le transférer dans ce stock accessible pour compenser la diminution du stock. Enfin, il décrit les adaptations à effectuer sur les flux d’inventaires du cycle de vie pour prendre en compte la perte de fonctionnalité d’une ressource. La deuxième étape méthodologique porte sur l’établissement d’une base de données de ratios massiques sous-produit/hôte des éléments (ex. cuivre, fer, zinc) présents dans les minerais de 3422 gisements dans le monde. Bien qu’un minerai contienne généralement plus de 10 éléments, l’extraction de ce minerai ne se justifie que pour 1 élément (ou 2 ou 3 éléments dans des cas spécifiques), qui génère suffisamment de revenus à la compagnie minière pour être rentable. Cet élément est nommé élément hôte. Les autres éléments présents dans le minerai, mais qui ne génèrent que des revenus marginaux pour la compagnie minière (s’ils sont exploités) ou aucun revenu, sont qualifiés de sous produit (byproduct en anglais). La quantité extraite des sous produits dépend de la demande de l’élément qualifié d’hôte dans le minerai. Pour chacun des 3422 gisements, on détermine le ratio massique de chaque sous produit (par exemple le tellure) par rapport à l’élément hôte (par exemple le cuivre). Cette deuxième étape méthodologique est donc nécessaire pour renforcer la robustesse de l’évaluation prospective de l’extraction des métaux (y compris ceux extraits comme sous-produits). Ce travail est essentiel pour bien évaluer l’impact de la dissipation. En effet, lorsqu’une ressource est dissipée, il est nécessaire d’extraire une quantité équivalente de la ressource pour compenser cette perte. Or, si l’on dissipe du tellure, soit il est possible de compenser cette perte en extrayant une quantité de ressource équivalente, soit il n’est pas possible de la compenser et il y aura une perte de services dû au manque de ressource, car il se trouve que le tellure est uniquement extrait en tant que sous produit dans les mines de cuivre et de zinc. Ainsi, dans un scénario où les capacités de production au niveau mondial (c.à-d. le maximum de la production) du tellure sont atteintes, la dissipation du tellure peut entraîner un déficit de services rendus par le tellure. La quantification de ce potentiel déficit n’aurait pas été possible sans prendre en compte les ratios sous produit-hôte. La troisième étape de ce projet de thèse consiste à construire un modèle prospectif d’évaluation de l’évolution des flux et stocks de ressource dans le temps, qui prend en compte des limites physiques et économiques de la production de ressources. Ce modèle se nomme WILMFlo (Within Limits Metal Flows). Trois scénarios d’évolution de la société d’aujourd’hui à 2100 sont sous étude : (i) un premier scénario où l’ensemble des êtres humains a un niveau de consommation proche du Decent Living Standards de Rao et Min (2018) dans un monde qui se décarbone, (ii) un second scénario où le niveau de consommation de la population mondiale se rapproche du niveau de consommation des pays développés dans un monde qui se décarbone et enfin (iii) un scénario de développement économique et de consommation qui suit les politiques publiques mises en place actuellement. Pour un scénario donné, une demande de services, telle que la mobilité terrestre (en passager-kilomètre par année), peut être définie au niveau mondial. En utilisant des données de la littérature, il est possible d’estimer la quantité de ressource à extraire, qui vont par la suite être utilisées dans diverses technologies telles que les voitures électriques, des bus ou des trains, pour répondre à cette demande de mobilité. WILMFlo permet de calculer les coûts énergétiques engendrés par l’extraction des ressources. Ce modèle prend également en compte les capacités minières, c’est à dire la quantité maximale de chacun des métaux qui peut être extraite chaque année. Ainsi, si la demande d’un métal se retrouve à être plus grande que la capacité minière, WILMFlo détermine un déficit du métal en question. WILMFlo est utilisé pour déterminer les coûts énergétiques et le déficit annuel de 50 métaux entre 2025 et 2100. La quatrième étape se focalise sur le développement de deux modèles de caractérisation des impacts du cycle de vie de la dissipation des ressources. Le développement de ces deux modèles est le résultat de l’opérationnalisation du cadre conceptuel établi lors de la première étape de ce projet de thèse. Le premier modèle se nomme Additional Energy Cost Potential (ACP). Il permet de quantifier les coûts énergétiques additionnels à dépenser par la société pour compenser la dissipation d’une ressource quand c’est possible. Le second modèle de caractérisation se nomme Resource Services Deficit Assessment (RESEDA). Il permet d’évaluer la quantité de ressource manquante à cause de la dissipation de cette même ressource quand aucune adaptation n’est possible. Ces deux modèles de caractérisation prennent en compte l’évolution de la demande des ressources, en utilisant le modèle WILMFlo pour obtenir les facteurs de caractérisation. On peut identifier trois limites majeures de cette thèse. La première concerne le niveau d’opérationnalisation des deux modèles ÉICV développés et elle concerne l’absence partielle des flux dissipatifs dans les bases de données d’inventaires du cycle de vie (ICV) utilisées par les praticiens de l’analyse du cycle de vie. Tout d’abord, les émissions dans l’environnement de certains métaux sont absentes des bases de données comme ecoinvent : aucun processus d’ecoinvent ne répertorie, par exemple, une émission d’indium, de sélénium ou en encore de gallium dans l’environnement. Ces émissions potentiellement dissipatives ne peuvent donc pas être caractérisées à l’heure actuelle. De plus, toute émission de métal déjà répertoriée dans un ICV n’est pas nécessairement dissipative. De plus, la composition des matériaux, utilisés comme entrants et sortants dans les inventaires du cycle de vie de produits, n’est pas connue. Par exemple, on ne connaît pas la quantité de cuivre dans un alliage d’acier à l’étape de recyclage. Il est donc impossible de savoir si ce cuivre est utile dans l’alliage ou qu’il est dissipé. Ainsi, il est pour le moment impossible de caractériser les flux dissipatifs dans les flux intermédiaires, comme un flux d’alliage d’acier inoxydable dans un ICV de 100 mètres carré de bâtiment. Enfin, une méthode de classification des flux d’inventaires du cycle de vie permettant d’identifier un flux comme dissipatif (ou non) cohérente avec le cadre méthodologique reste à développer. La seconde limite est que la substitution des ressources en cas de déficit de l’une d’entre elles n’est pas intégrée dans le modèle WILMFlo, qui est utilisé pour déterminer les facteurs de caractérisation des méthodes ACP et RESEDA. La troisième limite majeure de cette thèse est la relative fiabilité des ratios sous produit-hôte utilisés pour évaluer la production future de métaux produits en tant que sous-produit d’autres métaux. De nombreuses données restent à collecter pour améliorer la fiabilité des résultats obtenus en utilisant ces ratios. Si l’on veut guider la prise de décision pour changer nos systèmes de production pour limiter la dissipation des ressources, il nous faut un indicateur nous permettant d’estimer l’ampleur des conséquences de la dissipation pour les générations présentes et futures. Ce projet de thèse a permis de développer des facteurs de caractérisation de la dissipation des ressources permettant d’évaluer les conséquences de la dissipation pour la société suivant le scénario d’évolution de la société. Deux modèles de caractérisation complémentaires ont ainsi été développés. Le premier modèle permet d’évaluer le coût additionnel à payer par la société pour compenser la dissipation, nommé ACP. Le deuxième modèle permet d’évaluer le déficit potentiel de la ressource lié à la dissipation de cette ressource, nommé RESEDA.
| Type: |
Thèse ou essai doctoral accepté
|
| Informations complémentaires: |
Fichier numérique reçu et enrichi en format PDF/A. |
|
Directeur de thèse: |
Bulle, Cécile |
| Mots-clés ou Sujets: |
Analyse du cycle de vie / Ressources abiotiques / Dissipation des ressources |
| Unité d'appartenance: |
Instituts > Institut des sciences de l'environnement (ISE) |
| Déposé par: |
Service des bibliothèques
|
| Date de dépôt: |
05 août 2025 09:15 |
| Dernière modification: |
05 août 2025 09:15 |
| Adresse URL : |
http://archipel.uqam.ca/id/eprint/18963 |
RECHERCHER
PARCOURIR
LIBRE ACCÈS
