Soutenance mémoire
L’atmosphère terrestre
L’atmosphère terrestre se découpe habituellement en couches délimitées par des niveaux caractéristiques à des altitudes déterminées par la variation du gradient de température. En partant du sol vers les pressions faibles, on distingue notamment la troposphère, la stratosphère, la mésosphère, suivie de la thermosphère (figure 1.2). On divise les basses couches atmosphériques (altitude inférieure à 10 km) en deux parties distinctes : la couche libre et la couche limite atmosphérique.
• La couche libre : Cette couche est la partie supérieure de la troposphère. Le vent y est déterminé par de grands mouvements d’ensemble à l’échelle de la planète et est appelé vent géostrophique. Il résulte de l’équilibre entre les forces de gradient de pression et la force de Coriolis due à la rotation de la Terre.
• La Couche Limite Atmosphérique (CLA) : La CLA est la partie proche de la surface terrestre. Le sol y perturbe l’écoulement de l’air et donne naissance à une forte agitation appelée turbulence. La variation diurne du rayonnement solaire y est directement perceptible d’un point de vue thermique. La hauteur de la CLA varie dans le temps et dans l’espace. Elle est comprise en moyenne entre 100 et 3000 mètres. La partie supérieure de la CLA est appelée la couche d’Ekman. Les masses d’air y subissent à la fois le frottement de l’air sur la surface terrestre, la stratification thermique de l’air et la force de Coriolis. La rotation de la direction du vent avec l’altitude peut atteindre 30 à 40 degrés. Ensuite la couche de surface, de dix à quelques dizaines de mètres, représente environ 10 % de la CLA. La turbulence y est homogène, et la force de Coriolis négligeable devant les forces de frottement dues au sol. Enfin, la direction du vent (composante horizontale de la vitesse) ne varie pas avec la hauteur alors que son intensité est proportionnelle au logarithme de l’altitude. La partie inférieure de la couche de surface, directement en contact avec la surface terrestre, est la sous-couche rugueuse. Elle se trouve au voisinage immédiat du sol. C’est une zone de mélange des sillages des obstacles rencontrés par le vent. Les champs de vitesses y sont fortement hétérogènes et instationnaires et les forces de frottement y sont prépondérantes. Son épaisseur varie en fonction de la nature du terrain, de quelques millimètres en mer à quelques dizaines de mètres en zone urbaine. C’est au travers de cette couche que se font les échanges de masse, d’énergie, et d’humidité entre le sol et la couche limite atmosphérique. Elle est caractérisée par la longueur de rugosité aérodynamique. Pour plus d’information sur l’atmosphère et ses caractéristiques on consultera par exemple le manuel de météorologie générale (Triplet et Roche, 1986), un classique de l’enseignement de la météorologie en France. L’atmosphère terrestre contient des milliers de composés gazeux. L’influence de l’un de ces composés dépend de 3 facteurs (Seinfeld., 1986) :
• La concentration : un composé peut ne pas être polluant à une concentration donnée, mais une augmentation de sa concentration peut causer des effets sur l’environnement. Le dioxyde de carbone est, par exemple, essentiel aux plantes mais peut conduire à un réchauffement global dans des concentrations trop importantes.
• La localisation : un composé peut être dangereux ou bénéfique suivant l’endroit où il se trouve. L’ozone stratosphérique nous protège des rayons ultraviolets alors qu’en milieu urbain c’est un polluant.
• Le temps : l’intervalle de temps pendant lequel les modifications prennent place est important. Si la concentration d’un composé augmente lentement, l’écosystème va pouvoir s’adapter (formation de l’oxygène autour de notre planète par exemple). Mais depuis la révolution industrielle les augmentations de concentrations de certains composés ne permettent pas à notre écosystème de s’adapter, le mettant ainsi en danger, c’est le cas de l’ozone par exemple. L’atmosphère est globalement dans un équilibre stationnaire, ceci impose que l’ensemble des espèces qui y sont injectées soient éliminées par des transformations chimiques rapides à l’échelle humaine. Un grand nombre de ces réactions sont des oxydations progressives des composés carbonés, en dioxyde de carbone (CO2), des composés azotés et soufrés en HNO3 et H2SO4. Du point de vue des mécanismes réactionnels, ces oxydations suivent un chemin complexe qui met en jeu de nombreuses étapes de catalyse. Le radical OH initie la majorité des oxydations atmosphériques, l’autre espèce clé des oxydations atmosphériques est l’ozone, composé suffisamment stable dans l’atmosphère pour pouvoir s’accumuler et être transporté, et suffisamment réactif pour intervenir dans de nombreux processus. L’ozone représente en effet :
• La source primaire principale des radicaux OH,
• Un constituant dont l’augmentation, tant chronique dans la troposphère générale, qu’aiguë dans les zones habitées, constitue aujourd’hui l’une des préoccupations majeures en matière de pollution atmosphérique. L’ozone est même considéré comme un facteur de risque sanitaire augmentant la mortalité (Sartor et al., 1997). Les principaux chaînons et processus de la chimie troposphérique seront ainsi résumés, successivement en quatre groupes de réactions clef (Atkinson., 2000 ; Brulfert., 2004 ; Jacob., 2000) :
– Réactions de formation de composés organiques ;
– Mécanismes impliqués dans la formation de l’ozone ;
– Réactions sources et puits de radicaux : HOx ;
– Réactions associées aux dioxydes d’azote : NOx.
Réalisation d’essais en grandeur réelle
Les essais en grandeur réelle peuvent être réalisés pour estimer la dispersion sur un site donné ou approfondir les connaissances sur certains mécanismes de dispersion. A titre d’illustration, la campagne de Thorney Island représente 29 rejets réalisés pendant un an et demi. Cette campagne a permis de collecter plus de 8 500 000 mesures par essai recueillies par environ 200 capteurs de concentrations, de vitesse, de température, de pression (CCPS, 1996). D’une manière générale, ces essais sont relativement coûteux du fait de l’importance des moyens dont il faut disposer (systèmes d’acquisition de données, systèmes de rejet, quantités de gaz à rejeter, main d’œuvre, site disponible pour la réalisation de ces essais). A ces contraintes, il convient d’ajouter l’impossibilité de maîtriser les situations météorologiques.
Modèle Lagrangien
Le modèle Lagrangien consiste à fixer un repère sur une particule virtuelle représentative du déplacement général des polluants, et à suivre son évolution. Une boite Lagrangienne peut comporter un ou plusieurs niveaux de hauteur (permettant la prise en compte de la diffusion des polluants), elle est ensuite transportée par les vents, passant au-dessus des différentes sources polluantes où alors les émissions sont injectées dans la boite. Seule la chimie est résolue de façon précise dans ce cas, c’est pourquoi cette approche comporte des modules chimiques très importants. Le modèle Lagrangien nécessite une météorologie assez simple et constante sur toute la boite. Ce modèle est plus souvent utilisé pour la résolution des modèles de panaches (Janssen et al., 1990- 1991 ; Bange et al., 1991 ; Philippe et al., 2000). Dans ce cas les modèles de panache font l’objet d’implantation locale de « petits modèles Eulériens » afin d’augmenter localement la précision des calculs
Dispersion atmosphérique
Le terme dispersion atmosphérique peut désigner soit un phénomène dangereux tel que défini dans le glossaire technique des risques technologiques (octobre 2005 – MEDD) : « Rupture d’une canalisation à x% de section contenant le produit Y avec une durée de fuite de z minutes » ; soit le phénomène physique c’est à dire les mécanismes physiques de mélange d’une substance dans l’air de l’atmosphère. La dispersion atmosphérique correspond au devenir d’un nuage de produits dangereux (substance inflammable, toxique…) dans le temps et dans l’espace. La dilution du panache de fumées dans l’atmosphère va dépendre de plusieurs paramètres :
1. Les conditions de rejet (nature du nuage de produit, mode d’émission, température…) : S’agissant de la hauteur h de la base du panache de fumées, toutes choses égales par ailleurs, les concentrations en gaz toxiques observées au sol sous le vent de l’incendie seront d’autant plus importantes que la hauteur h de la base du panache de fumée sera faible. Qualitativement, les paramètres traduisant l’écart de température entre les fumées et l’air ambiant et ceux représentant la vitesse ascensionnelle initiale ont le même type d’influence. En effet, plus les fumées ont une température importante, plus elles sont susceptibles de s’élever du fait de la poussée induite par la différence de densité avec l’air. De même, plus la vitesse ascensionnelle initiale est importante, directement liée aux caractéristiques thermocinétiques de l’incendie, plus les fumées s’élèveront.
2. Les conditions météorologiques (champ de vents, de températures…) : La dispersion des fumées toxiques dans l’atmosphère dépend des caractéristiques d’émission et des conditions météorologiques, en particulier la turbulence de l’atmosphère et la vitesse du vent [Couillet, 2002], la présence ou l’absence d’une inversion de température. La turbulence atmosphérique est due à la fois à des turbulences d’origine mécanique, engendrées par la rugosité du sol, et à des turbulences d’origine thermique liées à la stratification verticale de la température de l’atmosphère. Deux types de turbulences mécaniques peuvent être distinguées : la turbulence à petite échelle et la turbulence à grande échelle. La turbulence à petite échelle est influencée par la rugosité du sol. La turbulence à grande échelle est liée à des phénomènes météorologiques lointains. Par ailleurs, concernant les turbulences d’origine thermique, une caractéristique importante est la stabilité atmosphérique. Quel que soit l’état de stabilité de l’atmosphère, un rejet continu de gaz plus léger que l’air conduit à la formation d’un panache qui s’élève tant que sa masse volumique reste faible devant celle de l’air. Tout en s’élevant, de l’air est introduit dans le panache. Ainsi, à partir d’une certaine altitude, le panache devient aussi dense que son environnement, son élévation cesse et la dispersion s’opère alors à altitude quasi constante. Le panache est alors « couché ». Par ailleurs, la dispersion d’un polluant gazeux léger s’opère d’autant plus près du sol que la vitesse du vent est grande. De ce fait, les concentrations susceptibles d’être observées au sol, sous le vent d’un rejet, peuvent dans certains cas, malgré un grand apport d’air, croître avec la vitesse du vent (Davidson, 1990).
3. L’environnement (nature du sol, présence d’obstacles, topographie…): La dispersion atmosphérique de la fumée est influencée par l’occupation du sol, à la fois dans le champ proche avec la présence d’obstacles isolés (bâtiments industriels, lotissements…), mais aussi dans le champ lointain avec l’existence d’accidents topographiques (vallées, falaises, collines, buttes …). Ces éléments perturbent le champ de vent de façon mécanique. Par ailleurs, les éventuelles discontinuités de recouvrement du sol vont être à l’origine d’effets thermiques propres à modifier le champ de vent avec la formation de mécanismes de brise. La modélisation de la dispersion du panache lors d’un incendie suit les mêmes approches présentées dans le paragraphe (1.1.3) :
• La réalisation d’essais en grandeur réelle ;
• La simulation sur maquette (hydraulique ou aéraulique) ;
• L’utilisation de codes de calcul mathématiques.
L’analyse de l’inventaire du cycle de vie
L’étape d’inventaire d’analyse du cycle de vie (ICV) consiste à inventorier tous les flux à l’intérieur et à l’extérieur du système de l’étude (Benetto., 2005). Deux types de flux sont identifiés dans le cadre d’une analyse du cycle de vie :
• Les flux économiques qui sont les flux de matière, énergie, services, etc. échangés entre les processus élémentaires et avec des systèmes extérieurs.
• Les flux élémentaires qui sont des flux échangés avec l’écosphère (matières premières, déchets remis dans l’environnement et émissions).
L’inventaire et son analyse se font en 4 étapes :
1. Quantification de tous les flux économiques et élémentaires associés à chaque processus élémentaire : pour chaque étape du système, considéré comme une boîte noire, il faut quantifier tout ce qui entre et tout ce qui sort ;
2. Mise à l’échelle des flux économiques et élémentaires : il faut mettre à l’échelle tous les flux identifiés en fonction du flux de référence. Ceci consiste à prendre le flux de référence (la quantité étudiée du produit final) et à remonter de processus élémentaires en processus élémentaire tous les flux élémentaires correspondants ;
3. Quantification des émissions et extractions pour chaque processus élémentaires : le but de cette étape est de quantifier tous les éléments qui ont un impact environnemental à chaque étape ;
4. Agrégation des flux élémentaires : toutes les données pour une source d’impact sont agrégées pour calculer les impacts à l’étape suivante. Par exemple, toutes les émissions de CO2 de l’ensemble du processus élémentaires sont additionnées en une seule valeur.
Évaluation des impacts du cycle de vie
L’évaluation des impacts du cycle de vie (EICV) est une étape importante de l’analyse du cycle de vie et vise à transformer un inventaire de flux en une série d’impacts clairement identifiables (Rousseaux., 1998). L’évaluation des impacts peut servir pour :
• Identifier et aider à classer les opportunités d’améliorations d’un système de produits,
• Caractériser la performance environnementale d’un système de produit,
• Comparer plusieurs systèmes de produits ayant la même fonction,
• Indiquer les points environnementaux nécessitant une action.
La phase d’évaluation des impacts comprend trois étapes obligatoires:
1) La première étape consiste à établir des catégories d’impact répondant à des questions environnementales. Un indicateur et un modèle de caractérisation associé à cet indicateur sont alors définis ou choisis pour chaque catégorie d’impact (Khalifa., 1999). Le modèle précité permettra d’établir une relation quantitative entre les données d’inventaire et l’indicateur, grâce à des facteurs de caractérisation;
2) La seconde étape correspond à la classification des données d’inventaire, où chaque donnée est assignée à une catégorie d’impact (figure 1.6);
3) Enfin, la dernière étape prévoit l’évaluation de chaque catégorie d’impact à partir du calcul de la valeur de l’indicateur associé en utilisant le modèle et les facteurs de caractérisation propres à cet indicateur.
La définition de l’indicateur de catégorie, la mise au point des modèles de caractérisation et le calcul des facteurs de caractérisation ont fait l’objet de travaux scientifiques depuis plusieurs décennies et sont encore en cours d’élaboration ou d’amélioration pour certaines catégories d’impact.
Modèle statistique des incendies
Le modèle d’incendie repose principalement sur une base de données qui recense les incendies qui ont, ou auraient pu, porter atteinte à la santé ou à la sécurité publique, l’agriculture, la nature et l’environnement. Pour l’essentiel, ces évènements résultent d’installations industrielles ou agricoles classées ou susceptibles de l’être, mais aussi du transport de matières dangereuses et d’autres évènements dont les enseignements leur sont transposables. Une première typologie des évènements répertoriés peut être déterminée en fonction de leurs caractéristiques principales tels que l’incendie et le rejet de matières dangereuses qui constituent des formes courantes de l’accident, d’autres sont moins fréquentes (explosion, projection et chute d’équipements) ou même très rares (BLEVE, boil-over) mais représentent un potentiel catastrophique qui mérite l’attention, les pollutions chroniques aggravées, les presque – accidents et les effets dominos. Un même événement peut être classifié sous plusieurs items; par exemple sur les 160 explosions recensées en France en 2003 (Trouvé., 2006), 60 ont été accompagnées ou résultent d’incendies, 13 ont conduit à des effondrements de structures et / ou des projections notables: parties d’équipements transformées ou projectiles… La classification des incendies peut être aussi faite en fonction des activités économiques impliquées. Plusieurs matières sont généralement à l’origine du sinistre ou ont contribué à son aggravation. Elles pourraient être identifiées dans les différents cas, mais il semble préférable, dans le cadre d’une synthèse générale sur les accidents, d’utiliser une classification par famille de matière. L’analyse des causes et des conséquences des incendies, qui est l’un des principaux objectifs du retour d’expérience, est l’une des actions les plus difficiles à appréhender en l’absence d’expertise détaillée. Enfin la large diffusion des enseignements tirés de l’analyse des accidents et incidents industriels est un élément essentiel pour développer le dispositif de prévention des risques technologiques. En effet, ces enseignements enrichissent l’étude des procédés dangereux en prenant notamment en considération des défaillances que l’analyse des risques n’a pas identifiées (Seillan., 2004). D’une manière plus générale, le retour d’expérience apporte nombre d’informations pratiques sur les possibilités et les limites des mesures de sécurité retenues ou envisagées. Les banques de données publiques ou privées, relatives aux accidents ou incidents, ont chacune leurs spécificités et leur intérêt. L’accès plus facile à ces données pour réaliser des analyses de risques plus approfondies, comme la mise en relation de leur gestionnaire pour élaborer des études thématiques ou sectorielles offrent encore d’intéressantes perspectives de progrès pour la prévention des risques.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
1. ETAT DE L’ART
1.1. MODELE NUMERIQUE DE DISPERSION
1.1.1. L’atmosphère terrestre
1.1.2. La dispersion atmosphérique
1.1.3. La modélisation de la dispersion atmosphérique
1.1.4. Phénoménologie et modélisation des effets de l’incendie
1.2. ACV ORIENTEE INCENDIE
1.2.1. L’Analyse de Cycle de Vie : Un outil d’évaluation environnementale globale
1.2.2. Description du modèle ACV – Incendie
1.2.3. Modèle statistique des incendies
1.2.4. Données de l’Inventaire du Cycle de Vie – Incendie (ICV- Incendie)
1.3. ANALYSE DES EFFETS ENVIRONNEMENTAUX (AEE)
1.3.1. La méthode de gestion du risque : AMDEC
1.3.2. De l’analyse du risque par AMDEC à l’analyse environnementale par AEE
1.4. CONCLUSION
2. MODELE NUMERIQUE DE DISPERSION (MND)
2.1. MODELISATION DU CYCLE DE VIE D’UN POLLUANT EN ATMOSPHERE : APPLICATION AUX OXYDES D’AZOTE
2.1.1. Résumé
2.1.2. Introduction
2.1.3. La modélisation environnementale
2.1.4. La modélisation en cinétique chimique
2.1.5. Cycle de vie des oxydes d’azote (NOx)
2.1.6. Equations cinétiques et résolution
2.1.7. Interprétations
2.2. LE MODELE NUMERIQUE DE L’INTERACTION INCENDIE -ATMOSPHERE
2.2.1. Résumé
2.2.2. Introduction et objectifs
2.2.3. Modélisation numérique des effets de l’incendie
2.2.4. Application : la raffinerie de Skikda
2.2.5. Résultats et discussion
2.3. CONCLUSION
3. ACV – INCENDIE
3.1. RESUME
3.2. INTRODUCTION
3.3. LE MODELE ACV- INCENDIE: REVUE
3.4. DESCRIPTION DU MODELE ACV – INCENDIE
3.5. METHODES ET DONNEES
3.5.1. Nouvelle application du modèle
3.5.2. Statistiques des incendies des réservoirs
3.5.3. Méthodologie de la méthode de l’Analyse du Cycle de Vie (ACV)
3.5.4. Modèle de l’incendie
3.6. DISCUSSION
3.7. CONCLUSION
4. APPROCHE COMBINÉE : AEE – ACV – MND
4.1. INTRODUCTION
4.2. LES METHODES DE L’APPROCHE COMBINEE PROPOSEE: REVUE
4.2.1. Analyse des Modes de Défaillances et de leurs Effets Environnementaux (AMDE-E)
4.2.2. Analyse du Cycle de Vie (ACV)
4.2.3. Modèle Numérique de Dispersion (MND)
4.3. COMBINAISON DES METHODES PROPOSEES
4.3.1. Méthodologie proposée : AEE-ACV et MND combinées
4.3.2. Application de l’approche combinée
4.4. CONCLUSION
CONCLUSIONS GÉNÉRLES ET PERSPECTIVES
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