Méthode d’évaluation d’impacts par ACV

Impacts environnementaux 

Le mix énergétique mondial, qui en 2016 reposait, en énergie primaire, à plus de 80% sur les hydrocarbures [15 ; 74] contribue :
• au changement climatique,
• à la perte de biodiversité,
• à l’altération de la santé humaine,
• à l’épuisement de ressources.
Les énergies renouvelables ont également un impact sur ces quatre catégories soit directement, soit indirectement notamment au travers de l’utilisation d’énergies fossiles et de matériaux nécessaires pour leur construction. Ceci est également vrai pour l’énergie nucléaire qui nécessite une infrastructure pour transformer la chaleur libérée par la fission atomique en électricité, mais, à la différence des EnR, repose sur un combustible non renouvelable avec des problématiques spécifiques en amont et en aval.

Impacts sur le changement climatique 

La combustion d’hydrocarbures, qui permet de libérer l’énergie contenue dans ces derniers, émet notamment du dioxyde de carbone. En 2015, environ 11 milliards de tonnes d’hydrocarbures ont été brulées entrainant alors l’émission d’environ 30 milliards de tonnes de CO2 [74].

De telles émissions ne sont pas sans conséquence pour l’environnement puisque cela a modifié la composition chimique de l’atmosphère. Sur la seule année 2015, les émissions de CO2 correspondent à une augmentation située entre 2 et 3 particules par million du contenu en CO2 de l’atmosphère. Ainsi, année après année, la concentration en CO2 dans l’atmosphère est passée de 280 ppm en 1750 [74] à plus de 410 ppm en 2019 [6]. Ce changement, observé à l’échelle planétaire, n’est pas sans poser de problèmes puisque le CO2 est un gaz à effet de serre : l’augmentation de sa concentration dans l’atmosphère modifie le bilan radiatif terrestre conduisant à une accumulation d’énergie au sein du système terre à l’origine des changements climatiques observés. Ce réchauffement climatique global modifie notamment les climats régionaux et les régimes de pluie associés, ce qui rend le secteur agricole plus vulnérable aux intempéries.

L’énergie thermique additionnelle due à l’augmentation de l’effet de serre est également captée par l’océan. Ce faisant, l’océan subit une dilatation thermique qui conduit à une élévation du niveau de la mer, à laquelle, il convient d’ajouter les apports d’eau issus de la fonte des calottes glaciaires [74]. Par ailleurs, une partie du CO2 émit se retrouve également absorbée par les océans, le dioxyde de carbone étant un acide en présence d’eau, appelé pour cette raison acide carbonique, cela a entrainé une augmentation de 26 % l’acidité de la surface de l’océan depuis l’ère pré-industrielle [74]. Cette acidification globale sans précédent de l’océan se combine avec son réchauffement, ainsi que d’autres facteurs de pressions anthropiques telles que leur pollution par diverses substances et la surpêche mettant en péril la biodiversité de nombreux écosystèmes marins.

Le CO2 émis lors de la combustion d’hydrocarbures représente à lui seul les deux tiers du pouvoir réchauffant des émissions mondiales de GES [74]. L’exploitation d’hydrocarbures est également émettrice de méthane, un gaz à effet de serre au pouvoir réchauffant 30 fois supérieur à celui du CO2 par unité de masse sur un horizon temporel de 100 ans [74]. Le reste des émissions de GES provient majoritairement de la déforestation et du secteur agricole qui est émetteur de méthane et de protoxyde d’azote, les deux autres principaux GES.

Étant produits à partir d’énergie fossile, les systèmes permettant la production d’énergie renouvelable ou nucléaire émettent indirectement des GES [74]. La production d’énergie à partir de biomasse peut également être fortement émettrice de gaz à effet de serre. En effet, si le stock de biomasse n’est pas géré durablement, le CO2 qui est émis lors de la combustion ne sera pas absorbé par la croissance future de biomasse censée reconstituer le stock initialement brulé [74]. L’énergie hydroélectrique, issue de centrales équipées de barrages, peut également, au travers de l’inondation de surfaces végétalisées, contribuer à l’émission significative de GES par la décomposition de la matière végétale [74]. Ces émissions dépendent alors fortement du contexte, présence d’activités agricoles en amont rejetant des fertilisants, ainsi que du climat favorisant plus ou moins cette décomposition [40].

Impacts sur la biodiversité

La combustion d’hydrocarbures émet, en plus du CO2, de nombreuses substances polluantes. Par ailleurs, ces émissions ne se limitent pas à la seule phase de combustion, des émissions de polluants ont également lieu lors de l’extraction, du raffinage et du transport d’hydrocarbures [63]. Au travers de ces émissions de composés polluants, mais aussi du changement climatique induit par les émissions de GES, le mix énergétique mondial occasionne des impacts majeurs sur la biodiversité [74]. Ces impacts peuvent également être causés au travers de la déforestation, qui est parfois motivée par ou pour des usages énergétiques. Cette déforestation peut être occasionnée par la surexploitation de biomasse mais aussi par les activités extractrices d’hydrocarbures ou de minerais nécessaires à la production d’énergie non renouvelable (fossile et fissile) mais aussi d’énergie renouvelable [92]. Ces activités minières engendrent également des rejets de polluant contaminant les sols et les cours d’eau impactant significativement les écosystèmes [117]. Ces causes ont été identifiées comme étant à l’origine de la sixième extinction de masse des espèces en cours [32]. Cette extinction se caractérise par un rythme d’extinction d’espèces significativement supérieur à la normale.

Impacts sur la santé humaine

Les êtres humains faisant partie de la biosphère, les émissions de polluants associées aux systèmes énergétiques ont des impacts sur la santé humaine. Les voies respiratoires sont effectivement sensibles aux émissions de particules fines, de dioxyde d’azote entrainant indirectement la formation d’ozone irritant pour les voies respiratoires, d’hydrocarbures aromatiques polycycliques, de composés organiques volatils, de dioxyde de soufre et de métaux lourds [105]. Ces émissions dégradent la qualité de l’air, notamment en zone urbaine, où se cumulent, et parfois s’accumulent, les émissions de centrales thermiques de production d’électricité, les émissions provenant d’installations industrielles ou de centres d’incinération d’ordures ménagères, les émissions liées au chauffage domestique et aux véhicules équipés de moteur à combustion interne [38]. L’agriculture contribue également à l’émission de polluants, notamment à cause du recours aux produits phytosanitaires ou aux épandages d’engrais. Cette dégradation de la qualité de l’air peut parfois s’observer de manière spectaculaire lors d’épisodes de pic de pollution avec la formation d’un smog limitant sérieusement la visibilité. Cette pollution occasionne de nombreuses pathologies et réduit l’espérance de vie de la population qui y est exposée [61]. Les coûts sociétaux induits sont importants bien que difficiles à évaluer précisément, puisqu’un grand nombre de facteurs intervient. Des estimations du coût de cette externalité sont réalisées et discutées par Ari Babl et al. dans l’ouvrage ”How much is clean air worth ?” [105].

Impacts sur l’épuisement des ressources

Les hydrocarbures que sont le charbon, le pétrole et le gaz naturel proviennent de biomasse sédimentée. Au fil de dizaines de millions d’années, cette biomasse sous l’action de bactéries anaérobies, puis de conditions de température et de pression géologiques se transforme par craquage thermique en hydrocarbure. Étant donné la durée du processus, ces hydrocarbures ne sont pas renouvelables à une échelle de temps humaine. L’humanité dispose alors d’un stock fini d’une ressource, qui s’est formée sur des temps géologiques, dont le rythme d’extraction finira mathématiquement par décliner.

Cet épuisement se traduit, dès aujourd’hui, par la recherche et l’exploitation d’hydrocarbures de moins en moins accessibles et de qualité décroissante [62]. Cette étude estime que sur le territoire des USA, investir l’équivalent énergétique d’un baril de pétrole dans la prospection d’hydrocarbure permettait de découvrir environ 1000 barils en 1919, contre seulement 5 en 2010. Un baril investi dans l’exploitation pétrolière permettait quant à lui d’en extraire 25 en 1970, contre seulement 10 en 2007. Les hydrocarbures de roche-mère que sont les gaz et huiles de schiste, aujourd’hui massivement exploités aux USA, sont quant à eux, plus difficiles d’accès que les hydrocarbures conventionnels. Ils nécessitent de fracturer le sous-sol pour stimuler la libération des hydrocarbures et, de ce fait, présente un taux de retour énergétique inférieur et proche de 7 [62]. Cela signifie qu’un baril de pétrole investi dans l’extraction d’hydrocarbures de roche-mère permet d’extraire 7 barils. Ces valeurs témoignent localement d’une forme d’épuisement des ressources fossiles.

Cependant, la libération dans l’atmosphère du carbone contenu dans l’ensemble des réserves déjà connues, suffit à provoquer un réchauffement climatique bien supérieur aux objectifs fixés par la communauté internationale lors de la COP21 [74]. Les observations sur le contenu énergétique des énergies fossiles se retrouvent également au Canada : le taux de retour énergétique pour l’extraction de pétrole et gaz conventionnel est passé de 40 en 1993 à 15 en 2008 [101]. En ce qui concerne les hydrocarbures non conventionnels, ils sont nettement plus énergivores à extraire. Par exemple, les sables bitumineux, qui se constituent d’un mélange naturel de sable ou d’argile, d’eau et d’une forme très visqueuse et dense de pétrole, que l’on appelle le bitume, ont un taux de retour énergétique fluctuant autour de 4 [101]. Leur exploitation industrielle, en plus d’impliquer la déforestation de la zone, consomme d’importantes quantités d’énergie, mais également d’eau, pour séparer le bitume très visqueux du sable ou de l’argile. Si des progrès technologiques significatifs sont réalisés pour extraire des gisements, qui auparavant, n’étaient pas exploitables, l’analyse des taux de retour énergétique montre que cela se fait globalement à coût énergétique croissant. Les systèmes de production d’électricité, que la source d’énergie soit renouvelable ou non, mobilisent nécessairement des ressources métalliques. De l’acier et du cuivre, qui est un bon conducteur électrique, sont notamment nécessaires à la construction de centrales thermiques, mais aussi aux centrales hydroélectriques, aux éoliennes et aux systèmes photovoltaïques dans des proportions plus ou moins importantes. D’autres métaux moins abondants peuvent également être nécessaires. Certains métaux peuvent être facilement substitués par d’autres, moins rares, comme le cuivre par de l’aluminium pour les conducteurs électriques. D’autres en revanche, sont plus difficilement substituables comme l’étain qui, avec une faible température de fusion, est très avantageux pour la réalisation de soudures de composants électroniques. Ces métaux sont théoriquement intégralement recyclables, mais en pratique, des pertes existent lors du recyclage conduisant à une perte de métaux, mais surtout, le caractère dispersif de l’usage qui est fait des métaux rend leur recyclage plus ou moins aisé, voire impossible. Un câble en cuivre sera aisément recyclable en un nouveau câble avec des performances équivalentes. En revanche, certains alliages métalliques pourront être recyclés, mais avec une qualité d’usage dégradée, due à la présence accrue d’impuretés, suite au recyclage. Enfin, d’autres métaux sont utilisés dans des proportions tellement faibles, notamment en électronique, ce qui rend, aujourd’hui, leur recyclage plus coûteux que leur production à partir de minerai vierge [24].

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Table des matières

1 Introduction
1.1 Contexte
1.2 Objectifs scientifiques
1.3 Démarche proposée
2 Méthode d’évaluation d’impacts par ACV
2.1 Introduction du chapitre
2.2 Impacts environnementaux
2.3 L’ACV pour évaluer les impacts environnementaux de l’énergie
2.4 Méthode globale dynamique et paramétrique
2.5 Conclusion du chapitre
3 ACV de la production d’énergie
3.1 Introduction du chapitre
3.2 La production d’énergie éolienne
3.3 La production d’énergie PV
3.4 La production d’énergie hydroélectrique
3.5 La production d’énergie issue de centrales thermiques
3.6 Comparaison multicritère des impacts environnementaux de la production d’énergie
3.7 Conclusion du chapitre
4 ACV du stockage d’énergie
4.1 Introduction du chapitre
4.2 Le stockage d’énergie sous forme de gaz de synthèse
4.3 Le stockage d’énergie sous forme d’énergie mécanique
4.4 Le stockage d’énergie sous forme d’énergie électrochimique
4.5 Comparaison multicritère des impacts environnementaux du stockage d’énergie
4.6 Conclusion du chapitre
5 ACV d’EnR en autoconsommation
5.1 Introduction du chapitre
5.2 Énergie éolienne couplée à du stockage P2G
5.3 Énergie PV couplée à du stockage électrochimique
5.4 Conclusion du chapitre
6 Conclusion

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