Analyse

Analyse du cycle de vie

Application aux systmes de dpollutionpar Dr Andr WEIDENHAUPT

Responsable du Centre de ressources des technologies pour lenvironnement (CRTE)Centre de recherche public Henri-Tudor (Luxembourg)

et Dr Markus A. MEIERCiba Specialty Chemicals Inc, Colours department (Suisse)

1. Les ACV dans lindustrie chimique ..................................................... G 5 810 2

2. tude de cas : ACV des systmes de dpollution des rejets gazeux ..................................................................................... 2

2.1 Critres de choix .......................................................................................... 2Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Environnement G 5 810 1

et article est destin faciliter le choix dune technologie de dpollution desrejets gazeux mis par une station dpuration deaux uses provenant de

grands sites de production dusines chimiques. Il prend en compte tous les effetsenvironnementaux lis aux diffrentes techniques laide des analyses du cyclede vie (ACV) et montre lintrt dune telle dmarche mme au niveau des tech-nologies de dpollution choisies.

Aprs une prsentation sommaire des ACV dans le contexte de lindustrie chi-mique, on exposera :

2.2 Caractrisation des effluents gazeux ......................................................... 32.3 Aspects technologiques .............................................................................. 3

3. Dfinitions des indicateurs dco-efficience.................................... 43.1 Bnfice cologique net (Net Ecological Benefit) NEBN .......................... 73.2 Efficience cologique (Ecological Yield Efficiency) lgEYE........................ 73.3 Calcul des indicateurs ................................................................................. 7

3.3.1 valuation de limpact environnemental par la mthode Eco-Indicator 95 ....................................................... 7

3.3.2 Classification des composs organiques volatils ............................ 8

4. Analyse de lincertitude ......................................................................... 94.1 Incertitude et ACV........................................................................................ 94.2 Identification des diffrents types dincertitude........................................ 94.3 Fonctions de distribution de probabilit ou scnarios utiliss

pour calculer les incertitudes...................................................................... 104.4 Calcul des incertitudes par simulation

selon la technique de Monte-Carlo ............................................................ 11

5. Rsultats de lACV des systmes de traitement de rejets gazeux ...................................................................................... 11

5.1 Comparaison base sur la consommation en nergie............................. 115.2 Comparaison base sur les catgories dimpacts environnementaux ... 115.3 Identification des principales contributions .............................................. 125.4 Comparaison entre les diffrents indicateurs dco-efficience................ 12

6. Choix du systme de traitement de rejets gazeux le plus adquat ......................................................................................... 13

6.1 Classement prfrentiel des diffrentes options ...................................... 136.2 Importance des diffrentes incertitudes .................................................... 136.3 Possibilits doptimisation.......................................................................... 13

Rfrences bibliographiques ......................................................................... 14

C

ANALYSE DU CYCLE DE VIE _____________________________________________________________________________________________________________

les technologies faisant lobjet de cette tude (biofiltration, adsorption surcharbon actif, oxydation catalytique, incinration thermique rgnrative) ;

les indicateurs dco-efficience introduits dans cette approche (mthodeEco-Indicator 95) ;

les diffrents indicateurs dimpacts environnementaux (toxicit, effet deserre, destruction de la couche dozone, formation de smog).

Comme les ACV se basent sur de nombreuses hypothses, il a t ncessaire deprocder un calcul dincertitude fond sur la mthode de Monte-Carlo. Les rsul-tats obtenus ont t discuts et ont permis de dterminer la meilleure rflexionpossible pour une prise de dcision quant au choix de la technologie de dpollu-tion la mieux adapt et prsentant les possibilits doptimisation les meilleures.

1. Les ACV dans lindustrie chimique

Lanalyse du cycle de vie (ACV) est une mthode dvalua-tion des impacts des systmes (produits, activits, servi-ces) du berceau la tombe , et cet article est centr sur

des technologies du type end of pipe ou technologies de dpol-lution en bout de chane. LACV peut galement tre utilise, dans cecontexte, comme outil daide la dcision valuant les performancesenvironnementales des diffrentes technologies de dpollution.

Des tudes ACV ont dailleurs t appliques aux stations dpura-tion deaux communales et aux installations de traitement dedchets [16].Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.G 5 810 2 Techniques de lIngnieur, trait Environnement

son application dans lindustrie chimique.

Les ACV sont constitues de quatre phases dfinies par la SETAC(Society of Environmental Toxicology and Chemistry) [8] et les nor-mes ISO 14 040 et suivantes [9] :

dfinition des objectifs et leur domaine dapplication [1][2] ; mthodologie de linventaire [1][7] ; valuation de limpact environnemental [3][4] qui se dcom-

pose en 3 phases : la classification, la caractrisation, la comparaison des donnes ;

interprtation des rsultats, phase importante qui engagelauteur de ltude tirer des conclusions et proposer des actions,et ce, chacune des tapes mentionnes ci-dessus.

Lindustrie chimique a, depuis quelques annes, cherch construire sa stratgie autour du concept de dveloppementdurable [5] et elle la appliqu, plus particulirement, sesprocds [10] et ses produits [11].

Par ailleurs, des pressions sociales visant rduire les nuisancescologiques lies aux emballages la pouss la ralisation dACVde diffrents matriaux plastiques comme les polyolfines ou lepolychlorure de vinyle (PVC) [12].

Lindustrie des tensioactifs a galement ralis un effort similairelors dtudes ACV des composs de poudres laver [13].

La plupart de ces tudes ont t menes lchelle europenne et,de ce fait, elles ont utilis des donnes moyennes pour chaque pro-duit analys. Cependant, par ailleurs, lindustrie chimique a aussiprocd, en interne, des tudes dACV dans le but doprer deschoix entre diffrentes options de procds ou dvaluer les impactsenvironnementaux spcifiques leurs produits.

Mme si les efforts mentionns ci-dessus ont abouti une rduc-tion des impacts environnementaux au sein de lindustrie chimique,il existe toujours une pollution rsiduelle au niveau des activits deproduction. Pour minimiser cette pollution rsiduelle, on doit recourir

2. tude de cas : ACV des systmes de dpollution des rejets gazeux

Cette tude de cas a t ralise dans le cadre dune thse de doc-torat de Sciences techniques au laboratoire de chimie technique delcole polytechnique fdrale de Zurich [18].

2.1 Critres de choix

Le choix de la technologie la plus adquate pour le traitementdun rejet gazeux spcifique est le rsultat dun processus de dci-sion multicritre suivant :

une dimension socio-politique qui permet dvaluer le niveaudacceptation de la technologie. On peut se limiter au respect de larglementation en vigueur ;

une dimension technique qui a pour objectif principal dvaluerla faisabilit technique du systme de traitement de gaz. Gnrale-ment, les paramtres considrs dans cette valuation sont le volumede gaz traiter, la charge polluante du rejet, la nature des polluants,les odeurs, la disponibilit de la technologie, lespace ncessaire (etdisponible) pour linstallation, lintgration dans les infrastructuresexistantes, le recyclage des polluants, la maintenance, etc. ;

une dimension environnementale dont lobjectif est dvaluerle bnfice cologique ou lefficience cologique de la technologie,dont le niveau de performance environnementale ;

une dimension conomique afin de connatre les cots directset indirects associs la technologie et dvaluer ainsi le niveau deperformance conomique.

Ces quatre dimensions sont mises en uvre deux niveaux dedcision indpendants :

le premier niveau regroupe la faisabilit technique et la lgisla-tion environnementale (valuation socio-politique) ;

une fois les technologies identifies et considres conformesaux exigences du premier niveau, le second niveau dcisionnel valueleurs performances conomiques et environnementales.

Exemples : tude dun procd moins polluant dobtention dun stilbne par

oxydation dun tolune substitu soit par leau de Javel, soit par lair [14] ; valuation environnementale de la mthode biocatalytique et de

la mthode catalytique par des complexes mtalliques pour la rduc-tion nantioslective de ctones. LACV a dmontr que le choix ducatalyseur est moins important que le choix des conditions de ractionet que les tapes ultrieures, comme lextraction du produit par dessolvants [15].

Exemple : Pistor [17] a valu, grce aux ACV, lco-efficience etlco-efficacit (cf. 3.1 et 3.2) des diffrents procds dliminationde lazote des eaux uses (nitrification et dnitrification).

______________________________________________________________________________________________________________ ANALYSE DU CYCLE DE VIE

2.2 Caractrisation des effluents gazeux

Ltude de cas a port sur des systmes de traitement de rejetsgazeux provenant de la station dpuration RHIN Pratteln (prs deBle, en Suisse) qui traite les eaux uses communales et industriel-les de grands sites de production chimique (par exemple Clariant,Ciba Specialty Chemicals, Novartis, Rohner). Les eaux industriellessubissent un prtraitement par neutralisation, sdimentation et trai-tement biologique arobie avant dtre mlanges aux eaux com-munales. Comme la teneur en solvants dans les eaux industriellesest leve, lair issu de la phase de traitement biologique arobiesenrichit en composs organiques volatils (COV) (tableau 1) quidoivent tre limins par un procd de traitement de gaz. Le choixde la technologie exige dabord une connaissance des charges volu-miques dont les moyennes sont regroupes dans le tableau 2.

2.3 Aspects technologiques

Dans le domaine de la dpollution de rejets gazeux, un large spec-tre de technologies est disponible regroupant, entre autres, la con-densation, ladsorption physique ou chimique, lincinrationthermique ou catalytique, la permation sur membranes et les pro-cds biotechnologiques. En ce qui concerne la faisabilit techni-que, les charges volumiques et la teneur en polluants sont leslments clefs qui limitent le choix entre les diffrentes techniquesmentionnes ci-dessus. Comme lindique la figure 1 a et b, seulesquatre technologies sont applicables pour traiter les rejets gazeuxissus de linstallation de traitement biologique de la station dpura-tion de Pratteln :

la biofiltration ; ladsorption sur charbon actif (CA) ; loxydation catalytique (OxCat) ; lincinration thermique rgnratrice (Thermo).

Quel est le volumedes rejets gazeux ?Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Environnement G 5 810 3

Figure 1 lments du choix dune technique de dpollution de rejets gazeux

a choix par la charge volumique

Volume desrejets gazeux (m3/h)

10 100 1 000 10 000 100 000

BiofiltrationMembrane

Incin Incin-ExCondensation

Oxydation catalytique (OxCat)Charbon actif (CA)

Incinration thermique rgnrative (Thermo)

Quels traitementspeut-on effectuer ?

b choix par la charge en polluants

Quelle est la chargeen polluants ?

Charge enpolluants (mg/m3)

1 10 100 1 000 10 000 100 000

BiofiltrationMembrane

Incinration Incin-ExCondensation

Charbon actifThermo

Quels traitementspeut-on effectuer ?

OxCat

Incin :Incin-Ex :

incinration en incinrateur classiqueincinration en incinrateur prvu pour recevoir des gaz explosibles

Dans l'incinration thermique rgnrative, l'incinrateur utilis est un incinrateur classique.


ts dadsorption (17,5 m3 et 7 t de charbon actif par unit). Le char-bon doit tre remplac tous les cinq ans. A la sortie des lits decharbon actif, les solvants et la vapeur sont condenss et refroidisdans un condenseur (consommation en eau de 80 m3/h) et sparspar gravimtrie.

Oxydation catalytique (OxCat)

A laide dun ventilateur dune puissance de 250 kW provoquantune dpression de 8 MPa, les gaz sont envoys dans un changeurde chaleur afin de les prchauffer. Ils sont ensuite introduits dansune chambre de combustion (consommation en gaz naturel : 67 m3/h, volume de 15,75 m3) qui contient un catalyseur loxyde dechrome CrO3 sur un support inerte en alumine (Al2O3) qui doit treremplac tous les quatre ans. Aprs la combustion, les vapeurs sontcondenses et refroidies par trempe (quench) afin de neutraliser lesproduits doxydation (consommation en eau de 2,6 m3/h).

Incinration thermique rgnrative (Thermo)

Une dpression de 13 MPa est ralise par un ventilateur de410 kW. Comme pour loxydation catalytique, les rejets pollus sontprchauffs avant de passer dans la chambre de combustion(consommation de gaz naturel de 191 m3/h) compose de 6 cellulesde rcupration de chaleur de 12 m3 chacune (15 t de cramique parunit). Aprs cette incinration thermique, le mme quench quepour loxydation catalytique peut tre utilis.

Consommation dnergie et de matire des quatre systmes

Tableau 1 Composition et concentrations des rejets gazeux pour le scnario de rfrence (1990) (1)

Rejets gazeux Concentration (mg/m3)

Contribution relative (%)

Alcools. thers

Isopropanol 0,21 0,1Propanol 2,72 1,4Dithylther 0,40 0,2Dimthylther 3,85 2,0

Hydrocarbures aromatiques

Tolune 124,05 65,5m-/p-Xylne 27,23 14,4o-Xylne 6,17 3,3thylbenzne 10,72 5,7Cumne 1,08 0,6

Hydrocarbures (HC)

Nonane 2,97 1,6Dcane 2,97 1,6Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.G 5 810 4 Techniques de lIngnieur, trait Environnement

Description technique des quatre systmes de traitement de rejets gazeux slectionns

Biofiltration

Le biofiltre comprend une unit de ventilation de 132 kW (dpres-sion de 5 MPa), un prhumidificateur (consommation en eau de50 L/h) et trois units de biofiltration de 700 m3 chacune. Chaqueunit comporte du compost (50 % en volume), des billes de poly-sty-rne (45 % en volume) et du carbonate de calcium (5 % en volume).La couche de CaCO3 garantit la minralisation des polluants et doittre remplace tous les quatre ans.

Adsorption sur charbon actif (CA)

Lunit de ventilation des lits dadsorption sur charbon actif estplus puissante que celle du biofiltre (160 kW), afin de vaincre uneperte de charge plus leve (6,3 MPa). Lunit est compose de cinqcondenseurs (consommation en eau de 80 m3/h), de cinq units deprchauffage (consommation en vapeur de 200 kg/h) et de cinq uni-

considrs

Les demandes en matire et les consommations en nergie sontindiques dans le tableau 3 pour la biofiltration, dadsorption surcharbon actif (CA), loxydation catalytique (OxCat) et lincinrationthermique rgnrative (Thermo).

3. Dfinitions des indicateurs dco-efficience

Le concept dco-efficience a t introduit dans le contexte du dveloppement durable par diffrents auteurs [19] [20] commetant la relation entre le bnfice conomique (en units montai-res) et limpact environnemental caus. Cependant, le cas des traite-ments de gaz tant plus technique, il faut prciser cette dfinitionafin de pouvoir lemployer pour les besoins de laide la dcision.La figure 2 reprsente, de faon sommaire, les bnfices (EBene) etles impacts environnementaux (EBurd) des systmes de traitementde rejets gazeux.

Cyclohexane 2,57 1,4

Composs chlors

Dichlorure de mthane 1,74 0,9Chlorure de benzne 2,78 1,5

Somme 189,46 100 %

(1) Le scnario de rfrence considre la concentration moyenne en polluantdans les rejets gazeux en 1990. Cette composition a t prise comme rf-rence dans les calculs. Tous les calculs et les sensibilits des mthodesdanalyses ont t values par rapport ce scnario de rfrence.

Tableau 2 Charges volumiques des composs des rejets gazeux

Rejets gazeux Concentration(mg/m3)

Alcools. thers 18Hydrocarbures aromatiques 288Hydrocarbures aliphatiques 28Composs chlors 16Somme totale des COV 350

Dbit volumique des rejets gazeux 63 000 Nm3/h

Figure 2 Bilan des bnfices et des impacts environnementaux des systmes de traitement des rejets gazeux

Impacts entres

Bnfices sorties

Rejets gazeux

non traits V (m3)

Rejets gazeux

traits V' (m3)

EBurd

(points/m3)

EBene

(points/m3)

Cots conomiques

(CHF/m3)

Systme detraitement

de gaz

CHF francs suisses

EBurd reprsente l'impact environnemental et EBene les bnfices.Ces deux valeurs sont exprimes classiquement en points , unitde mesure de la pollution ou de l'impact environnemental


Tableau 3 nergie et matriaux utiliss par les quatre systmes de traitement de rejets gazeux analyss (1)

nergie et matriaux utiliss Biofiltration CA OxCat Thermo

Information gnrale

Dure de vie................................................................................... (an) 20 (B) 20 (B) 20 (B) 20 (B)

Priode de remplacement du filtre .............................................. (an) 4 (B) 5 (B) 4 (B)

Espace occup sur place.............................................................. (m2) 1166 (A) 345 (E) 128 (E) 240 (E)

Construction

Excavage (bulldozer) .................................................................... (m3) 1500 (D) 600 (G) 120 (G) 312 (G)

Bton pc150 (sans acier) .................................................................. (t) 812 (D) 266 (G) 51,4 (G) 86 (G)

Acier de renforcement .................................................................. (kg) 30000 (D) 9520 (G) 1850 (G) 3100 (G)

Chambre briques........................................................................ (kg) 3500 (G) 3500 (G)

Laine de roches ............................................................................. (kg) 1980 (D) 1350 (G) 420 (G) 1700 (G)

Verre (non trait) ........................................................................... (kg) 427 (D) 27100 (G)

Polythylne (PEHD) ..................................................................... (kg) 5982 (D) 11200 (G) 1400 (G) 1400 (G)

Polypropylne................................................................................ (kg) 2025 (G) 2025 (G)Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Environnement G 5 810 5

Polystyrne (mou) ......................................................................... (kg) 78 (D)

Polyester ........................................................................................ (kg) 716 (D)

Poly(fluorure de vinylidne) ......................................................... (kg) 300 (G)

Mousse PUR (dure) ....................................................................... (kg) 123 (D)

PVC (dur) ........................................................................................ (kg) 245 (D) 10 (G) 53 (G) 60 (G)

Aluminium (avec 0 % daluminium recycl) .............................. (kg) 5 (D) 5 (F) 5 (F) 5 (F)

Cuivre ............................................................................................. (kg) 52 (D)

Acier (alliage basse teneur) .......................................................... (kg) 97500 (D) 51800 (G) 52700 (G) 40000 (G)

Acier (non alli) ............................................................................. (kg) 21200 (D) 1800 (G) 1800 (G) 1800 (G)

Feuilles dacier (surface de zinc) .................................................. (kg) 200 (D) 200 (G) 200 (G) 200 (G)

Zinc (pour galvaniser) ................................................................... (kg) 28 (D)

Peinture alkyle ............................................................................... (kg) 100 (I) 30 (I)

lectricit (moyenne tension)....................................................(kWh) 3000 (I) 3000 (I) 3000 (I) 3000 (I)

Eau industrielle............................................................................. (m3) 1000 (I) 1000 (I) 1000 (I) 1000 (I)

Voiture (Europe) ........................................................................... (km) 6880 (I) 1500 (I) 6000 (I) 6000 (I)

Camion 28 t ................................................................................. (t.km) 215430 (D) 20400 (G) 33230 (G) 20487 (G)

Premier remplissage des filtres

Polystyrne (mou) ......................................................................... (kg) 18900 (B)

Compost......................................................................................... (kg) 945000 (B)

CaCO3 ............................................................................................. (kg) 283500 (B)

Charbon actif (neuf) ......................................................................... (t) 35 (E)

Catalyseur CrO3 ............................................................................. (kg) 450 (E)

(1) Indices de Collecte des donnespriorit

A mesures bases sur donnes actuelles et vrifies des procds analyssB donnes bases sur spcifications techniques des constructeursC mesures bases sur donnes actuelles mais non vrifies des procds analyssD estimation base sur donnes vrifiesE donnes de dimensionnement vrifies par jugement dexpertsF calcul bas sur comparaison avec procds similaires (par exemple : mme technologie de purification de gaz)G estimation ou calcul bas sur donnes de dimensionnementH estimation dexperts de compagnies vendant les procds analyssI estimation brute base sur des hypothses


nergie et matriaux utiliss Biofiltration CA OxCat Thermo

Alumine (Al2O3)............................................................................. (kg) 15300 (E)

Cramique...................................................................................... (kg) 90000 (E)

Eau de transport ......................................................................... (t.km) 1073000 (D)

Camion 28 t................................................................................. (t.km) 24500 (G) 9450 (G) 54000 (G)

Opration

Gaz de combustion ................................................................ (Nm3/h) 67 (E) 191 (E)

lectricit moyenne tension....................................................... (kW) 133 (A) 162 (E) 310 (E) 470 (E)

Hydroxyde de sodium................................................................ (kg/h) 0.94 (E) 0.94 (F)

Hydrogne .................................................................................... (L/h) 1,8 (C) 1,8 (F) 1,8 (F) 1,8 (F)

Eau industrielle........................................................................... (kg/h) 360 (C) 92150 (E) 2600 (E) 2600 (F)

Vapeur......................................................................................... (kg/h) 580 (E)

Incinration de solvant ..................................................... (kg solv./h) 9 (G)

STEP RHIN .......................................................................... (kg TOC/h) 0.005 (A) 1,37 (G)

Tableau 3 nergie et matriaux utiliss par les quatre systmes de traitement de rejets gazeux analyss (suite) (1)Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.G 5 810 6 Techniques de lIngnieur, trait Environnement

STEP RHIN ......................................................................... (kg NaCl/h) 1,33 (E) 1,33 (F)

Matriel des filtres pour remplacement

Polystyrne (mou) ......................................................................... (kg) 18900 (B)

Compost......................................................................................... (kg) 945000 (B)

CaCO3............................................................................................. (kg) 283500 (B)

Charbon actif (neuf) ......................................................................... (t) 3,5 (E)

Charbon actif (ractiv).................................................................... (t) 31,5 (E)

Catalyseur CrO3............................................................................. (kg) 450 (E)

Alumine (Al2O3)............................................................................. (kg) 15300 (E)

Eau de transport ......................................................................... (t.km) 1073000 (D)

Polystyrne sur dcharge ractive............................................... (kg) 18900 (H)

Dcharge ractive.......................................................................... (kg) 15750 (H)

Camion 28 t................................................................................. (t.km) 37420 (D) 36750 (G) 11750 (G)

Dcharges

Voiture (Europe) ........................................................................... (km) 500 (I) 500 (I) 600 (I) 600 (I)

Camion 28 t (construction) ........................................................ (t.km) 48570 (D) 18050 (G) 6120 (G) 8270 (G)

Truck 28 t (filtres)........................................................................ (t.km) 37420 (D) 472 (G) 4500 (G)

Incinration de dchets toxiques.................................................... (t) 35 (E)

Dcharge inerte ................................................................................ (t) 192 (H) 65,8 (H) 21,5 (H) 130 (H)

Dcharge ractive.......................................................................... (kg) 412 (H) 270 (H) 15834 (H) 340 (H)

Incinration de plastiques ............................................................ (kg) 1430 (H) 2300 (H) 696 (H) 697 (H)

Polystyrne sur dcharge ractive............................................... (kg) 18900 (H)

(1) Indices de Collecte des donnespriorit

A mesures bases sur donnes actuelles et vrifies des procds analyssB donnes bases sur spcifications techniques des constructeursC mesures bases sur donnes actuelles mais non vrifies des procds analyssD estimation base sur donnes vrifiesE donnes de dimensionnement vrifies par jugement dexpertsF calcul bas sur comparaison avec procds similaires (par exemple : mme technologie de purification de gaz)G estimation ou calcul bas sur donnes de dimensionnementH estimation dexperts de compagnies vendant les procds analyssI estimation brute base sur des hypothses


3.1 Bnfice cologique net (Net Ecological Benefit) NEBN

Le bnfice cologique net normalis (NEBN) reprsente la diff-rence entre les bnfices et les impacts environnementaux normali-ss divise par le volume des rejets gazeux :

Les bnfices et les impacts environnementaux sont calculs laide des mthodes danalyse de limpact environnemental. Dans laprsente tude, le NEBN est gnralement normalis lunit fonc-tionnelle (1 m3 de rejets gazeux non traits). Ce paramtre indique siun bnfice positif est atteint par le systme de traitement, ce qui estle but recherch. Il sagit donc dun indicateur de lefficacit du sys-tme de traitement de gaz, le systme avec le NEBN le plus levtant le plus efficace.

3.2 Efficience cologique (Ecological Yield Efficiency) lgEYE

pour le NEBN si le bnfice et les impacts sont gaux et une plusgrande symtrie autour de ce point dgalit.

3.3 Calcul des indicateurs

Afin de pouvoir quantifier les rsultats laide des indicateursdfinis prcdemment, on a recours aux mthodes danalyse delimpact qui regroupent les diffrentes catgories dimpacts et leurattribuent une note commune, comme cest le cas de la mthodedes copoints suisses [21] ou de la mthode nerlandaise de lEco-indicator 95. Comme la mthode suisse est dj assez ancienne etquelle ne respecte pas le cadre mthodologique prsent par laSETAC (Society of Environmental Toxicology and Chemistry) [8],nous allons nous limiter la mthode de lEco-Indicator 95 [6] [12].

3.3.1 valuation de limpact environnemental par la mthode Eco-Indicator 95

NEBNEBene (point) EBurd (point)

Volume de rejets gazeux m

3

( )

-------------------------------------------------------------------------------------=

Exemple : si le rapport entre EBene et EBurd est gal 10, lgEYEest gal 1 ; inversement, si ce rapport est gal 0,1, lg EYE estgal 1,0.Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Environnement G 5 810 7

Lefficience cologique est reprsente par le rapport entre lesimpacts environnementaux associs aux nouveaux investissements(cest--dire les impacts non lis aux procds) et le niveau de rduc-tion des impacts environnementaux lis la technologie de dpollu-tion des rejets gazeux.

Ce rapport permet de sassurer quil ny a pas eu un dplacementde pollution. Le calcul se fait comme pour le bnfice cologique netpar le biais des mthodes danalyse de limpact environnemental :

Cet indicateur permet de slectionner le systme de traitement derejets gazeux qui utilise au mieux les nouvelles ressources investies.La raison du choix dun indicateur logarithmique sexplique par dif-frents facteurs, entre autres lobtention dune valeur nulle comme

La mthode Eco-Indicator 95 [12] suit les principes de la SETAC.

Les missions sont dabord regroupes dans des classes dimpactenvironnemental : effet de serre, destruction de la couche dozone,acidification, eutrophisation, smog estival, smog hivernal, mtauxlourds, carcinognse.

Comme, dans la prsente tude, il sagit dune valuation dupotentiel de dpollution de systmes de traitement de rejets gazeux,un nouvel indicateur (la toxicit) a t ajout la liste initiale desclasses dimpact de la mthode Eco-Indicator 95. Comme lindiquela figure 3, les diffrents polluants sont dabord runis, selon leurseffets, dans les diffrentes classes mentionnes ci-dessus puis nor-maliss suivant la classification donne dans le tableau 4. Ils sontensuite regroups suivant trois critres :

possibilit de provoquer la mort dtres humains (mortalit) ; possibilit de nuire la sant humaine (morbidit) ; altration dun cosystme.

lgEYE lg EBene (points)

EBurd (points)-----------------------------------------

=

Tableau 4 Catgories dimpact environnemental considres dans la mthode Eco-Indicator 95 et caractrisation des facteurs de classification

Catgorie dimpact Base de classification

(1)(kg/kg)

Substance de rfrence Rfrence bibliographique

Effet de serre GWP

100

CO

2

[34]

Destruction de la couche dozone ODP CFC-11 [34]

Smog estival POCP thne [34]

Acidification AP SO

2

[34]

Eutrophisation NP [34]

Smog hivernal SO

2

equi SO

2

[22]

Mtaux lourds Pbequi Pb [22]

Carcinognse PAHequi PAH [22]

Toxicit TOE Actone [18]

(1) GWP

100

:

global warming potential

(contribution leffet de serre) ; ODP :

ozone depletion potential

(pouvoir de dgradation de lozone) ; POCP :

photochemi-cal ozone creation potential

(potentiel photochimique de cration dozone) ; AP :

acidification potential

(potentiel dacidification) ; NP :

nutrification potential

(potentiel deutrophisation) ; PAH :

polycyclic aromatic hydrocarbons

(hydrocarbures aromatiques polycycliques HPA) ; TOE :

toxicity equivalents

(quivalentde toxicit).

PO43


CFC

Pb

Cd

HPA

poussires

COV

CO2

SO2

NOx

Impact

Effet de serre

Destruction de lacouche d'ozone

Smog estival

Acidification

Eutrophisation

Smog hivernal

Mtaux lourds

Carcinognse

Effet

Fatalit(mortalit)

Nuisance lasant humaine

Nuisance l'cosystme

Dommageou nuisance

valuationsubjectivedes dgts

valuation

co-Indicator

Rsultat

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G 5 810

8

Techniques de lIngnieur, trait Environnement

Lvaluation globale qui rsulte dun tel systme dagrgation estpurement subjective [3]. Il est donc ncessaire que cette tape criti-que soit base sur des jugements dexperts et dorganismes officielsqui sappuient sur des mthodes reconnues des sciences humaineset sociales.

3.3.2 Classification des composs organiques volatils

Il sagit, dans la prsente tude, dvaluer la capacit de dpollu-tion des quatre systmes de traitements de rejets chargs en com-poss organiques volatils (COV) prsents au paragraphe 2. Il fauttenir compte des effets de ces composs sur lenvironnement et,notamment, de leur toxicit intrinsque afin que lvaluation soitreprsentative. Cela a t ralis en appliquant la mthodologieeuropenne de lvaluation des risques lis aux substances chimi-ques lors de leur dclaration lgale [23].

Les coefficients de risque ont t calcul pour les diffrentessubstances et sont des indicateurs censs tre reprsentatifs des ris-ques qui peuvent survenir.

Lvaluation des diffrentes donnes concernant lexposition ces substances dmarre par une estimation des missions de pol-luants dans les milieux air, eau et sol. On effectue ensuite une va-luation de la distribution de ces substances entre les diffrentsmilieux. Les rsultats de cette tude permettent de dterminer la concentration environnementale estime (ou PEC

PredictedEnvironmental Concentration

) et, par consquent, destimer la dosejournalire absorbe par les hommes (

daily intake of humans

).

Quand des donnes plus fiables sur lexposition sont disponibles,elles doivent tre utilises la place de la PEC.

La PEC peut galement tre calcule laide du concept de fugacit utilis dans le modle gnrique de Mackay [24] [25] ense basant sur les donnes physico-chimiques des substances.

Les PEC sont ensuite compares aux niveaux de concentrationsans effet pour les organismes dans lenvironnement (ou PNEC

Pre-dicted No Effect Concentration

). Ces PNEC sont gnralement obte-nues par extrapolation de tests de toxicit raliss sur dautresespces biologiques que lespce humaine (bactries, algues, plan-tes). Les PNEC peuvent correspondre aux NOEL (

Non ObservedEffect Level

) pour les mammifres ou aux NEC (

No Effect Concentra-tion

) pour les hommes, provenant dextrapolation de tests de toxi-cit sur des espces animales ou drivant des donnes obtenuesdirectement sur lHomme.

Aprs dtermination de ces deux indicateurs cls que sont la PECet la PNEC, un nouvel indicateur est alors introduit appel quiva-lent de toxicit (TOE,

toxicity equivalent

) par comparaison avec lecoefficient de risque de lactone choisie comme substance de rf-rence. Les TOE des diffrentes substances deviennent ainsi compa-rables.

Pour certains rejets gazeux, limpact environnemental ne rsultepas de leur toxicit, mais surtout de leur potentiel photochimique decration dozone ; cest pourquoi la toxicit des polluants chlorsnest pas sous-estimer. Cette catgorie a donc t introduite danslEco-Indicator 95 afin que lvaluation de limpact environnementaltienne compte de tous les effets environnementaux causs par lespolluants mis au cours du cycle de vie des systmes de traitementde rejets gazeux analyss.

Figure 3 Mthode dagrgation suivant lEco-Indicator 95 (la nouvelle catgorie toxicit est incluse)

Toxicit

CFC

HPA

COV

chlorofluorocarbones

hydrocarbures polycycliques aromatiques

composs organiques volatils


4. Analyse de lincertitude

4.1 Incertitude et ACV

Lide dintgrer les incertitudes lors de ltablissement des ACVnest pas nouvelle et, de ce fait, elle a t aborde suivant diffrentesapproches.

Comme le calcul exact des incertitudes est assez complexe, onpeut utiliser des indicateurs de qualit des donnes (data qualityindicators) [26] [27] [7]. Ces indicateurs de qualit tiennent comptede la fiabilit, de la compltude (caractre complet) et de la varia-bilit (temporelle, gographique et technologique) des donnes.Ces indicateurs sont regroups dans une matrice de qualification(dite pedigree ), et il est possible dassigner un vecteur cinqdimensions chaque lment de linventaire.

Une autre approche est base sur la thorie de la logique floue fuzzy logic [28]. Les fonctions floues rsultantes regroupent cha-que produit ou procd dans diffrentes classes de svrit desdommages (basse, moyenne, leve).

Lapproche choisie ici se base sur une tude probabiliste. Cela

p nombre de ressources / nergie utilises (p = 44 dansnotre tude),

yj (A) vecteur dutilisation de ressources et dnergie par lesystme A,

Tij matrice de transformation (m x p) = (148 x 44) pourtransposer lutilisation de ressources / nergie enmissions,

Fki vecteur de transformation (m x q) = (148 x 9) pourtransposer les substances mises en quivalents derfrence de la catgorie dimpact k (facteurs decaractrisation),

nk charge actuelle (facteur de normalisation) desquivalents de rfrence de la catgorie dimpact k,

rk facteur de rduction de la catgorie dimpact k.

Nom de lavariable

Fonction dedistributionapplique

Variable considrer dans

l'quation (1)

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ncessite la dfinition des fonctions de distribution. Comme cettetape est relativement subjective, nous nous sommes limits auxdistributions de probabilit des lois normale et log-normale. Cetteapproche est semblable celle adopte dans une tude scandinave[29] et se distingue dune tude amricaine dans le choix de la fonc-tion de distribution [30]. Dans cette dernire tude, en effet, le choixdune fonction de distribution bta ncessite la dfinition de quatrevariables, ce qui augmente le degr de subjectivit et, donc, repr-sente un certain dsavantage par rapport aux lois de distributionnormale et log-normale.

4.2 Identification des diffrents types dincertitude

Comme lincertitude dans les analyses du cycle de vie provient dediffrentes origines, il y a diffrents types dincertitudes [4]. Avantde quantifier ces incertitudes, il est important de distinguer lesquel-les sont quantifiables et lesquelles ne le sont pas (incertitudes quali-tatives lies aux hypothses). Les incertitudes qualitatives nepouvant tre caractrises par un instrument mathmatique, il estdifficile de prdire leur importance. Afin de les rduire, il est nces-saire dtablir une ACV en suivant les rgles normalises (cf. normeISO 14 040, par exemple [9]). Mais par contre, il est possible decaractriser les incertitudes quantifiables par des mthodes statisti-ques bien tablies en se basant, pour lEco-Indicator 95, sur la for-mule suivante (figure

4

) :

(1)

avec A systme/technologie A,

k

catgorie dimpact (effet de serre, destruction de lacouche dozone, etc.),

q

nombres de catgories dimpact considres (

q

= 9dans notre tude),

i

substances mises (CO

2

, NO

x

, SO

2

, etc.),

m

nombres de substances considres (

m

= 148 dansnotre tude),

j

ressources / nergies utilises (acier, lectricit, gaz decombustion, etc.),

Points A( )rknk------ Fki

i 1=

m

Tijj 1=

p

yj A( )

k 1=

q

=

Figure 4 Incertitudes quantifies et variabilits dans les ACV

yj

Tij

Fki

nk

rk

d1

d2

d3

w1

w2

w3

d4

d5

d6

Donnes mesures

ge des donnes/variation temporelle(dimension du temps)

Choix des modules(congruence dela technologie)

Mesures desdonnes d'mission

tablissement de moyennes(congruence de l'espaceet du temps)

Considration d'missions

Facteurs de classification

Facteurs de normalisation

Facteurs de rduction

Cette figure considre uniquement les variables qui doivent treintroduites dans la simulation de Monte-Carlo.Les autres variables dfinies dans le tableau 5 ne peuvent pas tre prisesen compte car trop difficiles estimer et quantifier dans cette tude.

Do

nn

es

lies

au

sit

eM

od

ule

sd

e d

on

ne

sFa

cteu

rs d

'va

luat

ion

(Eco

. In

d m

od

)


Le tableau 5 regroupe de faon synoptique tous les types dincer-titudes considres dans cette tude. Les erreurs systmatiquessont lies aux hypothses faites sur le modle ou un choix inad-quat de limportance de ltude. Il est donc difficile, voire impossi-ble, de les quantifier. Les erreurs stochastiques sont dues auxmesures et peuvent tre dcrites par une fonction de distribution deprobabilit. La variabilit est due aux moyennes qui sont utilisespour faire les calculs et qui ne reprsentent donc pas des incertitu-des dues aux mesures proprement parler. Ces erreurs peuvent tredcrites soit en appliquant des fonctions de distribution de probabi-lit, soit en dfinissant des scnarios.

4.3 Fonctions de distribution de probabilit ou scnarios utiliss pour calculer les incertitudes

La distribution normale est approprie lorsquil sagit de dcrirelincertitude de grands chantillons de donnes qui reprsententdes vnements stochastiques et qui sont distribus symtrique-ment autour de la moyenne. La fonction de densit de probabilitest dfinie par la moyenne et par lcart-type. (0)

Tableau 5 Identification et caractrisation des incertitudes

Variable(1) Origine de lincertitude

Exemple(2)

Caractrisation Nombre de paramtres incertainsincertitude due

incertitude lie

Dfinition des objectifs et importance

r1 Hypothses gnrales Fonctionnalit ou dure de vie Erreurs Modle InconnuToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.G 5 810 10 Techniques de lIngnieur, trait Environnement

du systme systmatiques

r2 Non-considration de tous les processus de linventaire

Utilisation dazote ou transport Erreurs systmatiques

Modle Inconnu

r3 Incertitude due la dfinition inadquate de lunit fonctionnelle

Normalise mg C/h ou m3 gaz/h Erreurs systmatiques

Modle 1

Donnes directes de linventaire

r4 Incertitude due lallocation dmissions Rgles dallocation bases sur la masse ou la valeur capitale

Erreurs systmatiques

Modle 1

d1 Incertitude dans la mesure des donnes Mesure dhuile, de gaz de combus-tion ou dlectricit

Erreurs stochastiques

Donnes

d2 Incertitude due lge des donnes / variation temporelle (anne de rfrence)

Donnes datant de 1990 au lieu de 1996


Donnes

Donnes indirectes de linventaire

d3 Incertitude due au choix du module lectricit UCPTE au lieu de CH Variabilit Donnes 2

d4 Incertitude dans la dtermination / calcul des missions

Mesures des missions de CO2, NOx, SO2


Donnes > 2700

d5 Incertitude due aux moyennes (espace, technologie, temps)

Donnes en provenance de France ou de 1990

Variabilit Donnes

d6 Non-considration de substances mises dans les modules

missions de Cr, Pb, Co, dioxine ngliges


Donnes 22

valuation de limpact : Eco-Indicator 95 modifi

r5 Incertitude due des calculs faux /fausses hypothses

Fonction du dommage non adquate


Modle Inconnu

r6 Incertitude due la non-considration de catgories dimpact

Radiation, bruit, etc., exclus Erreurs systmatiques

Modle Inconnu

w1 Incertitude dans la dtermination des facteurs de classification

Donnes toxicologiques incompltes

Incertitudestochastique

valuation 116

w2 Incertitude dans la dtermination du flux actuel (facteur de normalisation)

Prcision des donnes nationales dnergie, incertitude des facteurs de classification

Incertitude stochastique

valuation 9

w3 Incertitude de la dtermination du facteur de rduction

Dtermination des flux Incertitude stochastique

valuation 9

(1) Variables utilises dans ce tableau : r : incertitude due au modle ; d : incertitude due aux donnes ; w : incertitude due lvaluation.(2) UCPTE : Union pour la coordination de la production et du transport de llectricit (lectricit produite en moyenne en Europe par un ensemble europen de

centrales (principalement des centrales nuclaires ou thermiques). CH : lectricit produite en Suisse par un ensemble suisse de centrales (principalement descentrales nuclaires et hydrauliques).

< 30

< 13

< 13


La distribution log-normale est approprie lorsquil sagit dungrand chantillon de donnes (non ngatives) et que la variance estplutt exprime par un facteur que par un pourcentage. La fonctionde densit de probabilit est alors dfinie par la moyenne et parlcart-type.

Les scnarios ont t utiliss lorsquil sagissait du choix entre dif-frentes options discrtes. Les incertitudes dans cette catgorie sontplutt causes par des prfrences subjectives ou objectives aucours du processus de dcision que par des incertitudes stochas-tiques. La figure 4 (p. 9) reprsente de faon synoptique les diffren-tes approches pour calculer les incertitudes dans le cadre de ltudedes systmes de traitement de rejets gazeux.

4.4 Calcul des incertitudes par simulation selon la technique de Monte-Carlo

Le calcul du modle des incertitudes et de limprcision pourlEco-Indicator 95 modifi a d tre simul par chantillonnage pourchaque distribution de lincertitude considre. Pour ce faire, lamthode de Monte-Carlo a t utilise.

Dans la procdure dchantillonnage, un nombre est choisi auhasard entre 0 et 1. Si F (x) est la fonction de distribution cumulative

5.2 Comparaison base sur les catgories dimpacts environnementaux

Les copoints de la mthode Eco-Indicator 95 calculs pour obte-nir les paramtres EBurd (impact environnemental) et EBene (bn-fices environnementaux) sont reprsents sur le figure 5.

Le bnfice environnemental est reprsent par la rduction desmissions des catgories dimpact que sont le smog estival (POCP,potentiel photochimique de cration dozone troposphrique), lacarcinognse et la toxicit. La rduction du POCP est dominante(> 80 %), car cet impact est surtout li aux polluants comme letolune, le xylne et lthylbenzne prsents en grandes quantitsdans les rejets non traits. En ce qui concerne les quatre impactsenvironnementaux, il faut noter que la plupart des missions sontdues des procds de combustion de combustibles fossiles (GWP,NP, SO2equi) et aux mtaux lourds (> 80 %).

1,4

1,2

x 105 [Pt/m3 gaz)

EBurdToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Environnement G 5 810 11

(FDC) de X, alors y = F (x) est la probabilit P (X x ). Le point dedpart de tout chantillon alatoire est une variable y* qui est distri-bue uniformment entre 0 et 1 . En utilisant la FDC dela distribution de probabilit choisie pour la variable dentre, lavaleur chantillonne y* se calcule par [31] :

X * = F 1 (Y *)avec X * et Y * somme de tous les x * et y *

Si le nombre dchantillons est assez lev, lchantillonnageselon la mthode de Monte-Carlo donne la FDC de la distributiondentre. Cependant, pour viter le cloisonnement des donnes, ona effectu lchantillonnage selon la mthode Latin Hypercube telle quelle est fournie dans le logiciel appliqu @risk [32].

Dans notre tude, environ 3 000 variables dentre ont t chan-tillonnes pour chaque itration. Pour chaque simulation, 2 500 it-rations ont t faites et la convergence analyse par tapes de 100itrations. Cette quantit ditrations a permis de maintenir lesvariations entre les moyennes, les carts-types et les percentiles au-dessous de 1,5 %.

5. Rsultats de lACV des systmes de traitement de rejets gazeux

5.1 Comparaison base sur la consommation en nergie

Les quatre systmes de traitement de rejets gazeux ont dabord tcompar par rapport leur consommation en nergie (y comprislnergie contenue dans la matire ou feedstock et lnergie de pr-combustion) tout au long de leur cycle de vie. Pour cela, il a fallu tenircompte de la consommation en lectricit et en vapeur (dans les castudis, la vapeur provient 92 % du gaz naturel et 8 % du ptrole).Si lon compare la consommation en nergie, la biofiltration estloption la plus intressante du point de vue des impacts sur lenvi-ronnement. La consommation nergtique de ladsorption sur char-bon actif est semblable celle de loxydation catalytique, cependantles sources dnergie sont diffrentes (gaz pour OxCat et vapeur pourCA). La consommation en nergie du thermoracteur est sensible-ment plus leve que celle des autres systmes analyss.

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