Amélioration de la fiabilité des évaluations environnementales des bâtiments

Amélioration de la fiabilité des évaluations
environnementales des bâtiments

Introduction

Les communications [PEUPORTIER, 2001], [KOSAREO & RIES, 2007], [BLENGINI & DI CARLO, 2010], [ROSSI ET AL, 2012], [AKTAS & BILEC, 2012], [PEUPORTIER ET AL, 2013], [WANG & SHEN, 2013] sur la robustesse des résultats des impacts environnementaux des bâtiments ont mis en lumière les problématiques liées aux incertitudes sur les calculs par ACV et sur le besoin de la minimisation des performances calculées. Dans le premier chapitre, nous avons mentionné les nombreuses sources d’incertitudes et de variabilités traitées par les mathématiciens et les experts de l’ACV. L’objectif principal de la prise en compte des incertitudes est de juger de la fiabilité d’un résultat calculé. La comparaison robuste des projets est un autre objectif de la prise en compte des incertitudes dans les calculs. Dans le cas des comparaisons, nous nous soucions de l’incertitude quand les intervalles de confiance entre les solutions comparées se chevauchent, même partiellement, rendant ainsi impossible le choix robuste de la meilleure solution. Afin d’identifier les contributions respectives des données d’entrées (ACV) et de la modélisation de l’ouvrage, l’identification des sources d’incertitudes et de leurs influences sur le résultat sont nécessaires. Pour atteindre cet objectif, il est nécessaire de construire une méthode rigoureuse de traitement des incertitudes. A ce stade, nous considérons qu’un modèle d’ACV utilise des entrants (données d’entrées) pour produire des sortants (résultats). La construction de la méthode que nous proposons comporte l’identification des sortants, l’identification des paramètres (données d’entrées) dont dépendent les résultats et enfin la construction du modèle qui utilise les données d’entrées pour calculer les sortants. En utilisant des valeurs ponctuelles (valeurs singulières) pour les entrants, nous sommes capables de calculer les sortants. Un tel calcul est déterministe : aucune incertitude n’est prise en compte. Pour prendre en compte les incertitudes dans un modèle, il est important de décrire les types d’incertitudes à prendre en compte et la manière de les traiter. L’étape suivante, après avoir défini le modèle de calcul et la manière de décrire les incertitudes, est de choisir la méthode qui sera utilisée pour évaluer la propagation des incertitudes sur les résultats. Une telle analyse prenant en compte les incertitudes dans les calculs revient à construire un modèle probabiliste. L’objectif de ce chapitre est de présenter l’approche probabiliste que nous avons développée pour l’appliquer à l’ACV des bâtiments (cf. figure II.1). Nous allons d’abord décrire le plus 47 précisément possible les éléments d’un modèle ACV bâtiment, en identifiant les entrants dont dépendront les sortants (les impacts environnementaux) et les relations mathématiques entre elles. Ensuite, nous allons quantifier les incertitudes portant sur les entrants. Enfin, nous allons proposer une méthodologie pour quantifier les incertitudes sur les impacts environnementaux des bâtiments (sortants). Figure II. 1 – Schéma de traitement des incertitudes Dans ce chapitre, nous allons présenter également une méthodologie qui a été développée pour supporter la prise de décision dans des comparaisons. Avant de nous intéresser au modèle probabiliste appliqué à l’ACV du bâtiment, nous allons d’abord décrire le modèle général de l’ACV du bâtiment à partir duquel nous avons travaillé. 2.2 Présentation du modèle de l’analyse du cycle de vie du bâtiment Dans le premier chapitre, nous avons décrit la méthodologie de l’ACV et les enjeux de sa mise en application dans le secteur du bâtiment. L’ACV appliquée au secteur du bâtiment nous permet d’évaluer les impacts environnementaux et notamment d’identifier les aspects sur lesquels un ouvrage peut être amélioré. Il existe de nombreuses façons de présenter et d’interpréter des résultats d’analyse de cycle de vie. Si un premier découpage par phase du cycle 48 de vie est généralement retenu, il est également possible de présenter les résultats par contributeur. Dans le cas du bâtiment, une certaine façon d’appréhender les impacts environnementaux du bâtiment consiste à dire qu’ils sont fonction des quatre contributeurs majeurs suivant [SETAC, 1999], [BAYER ET AL, 2010], [EEBGUIDE, 2011], [ELODIE, 2012] : 2 Les impacts des composants constitutifs du bâtiment (matériaux, produits de construction, équipements techniques), appelés par la suite composants, 3 les impacts des chantiers, 4 les impacts de l’énergie utilisée pendant la phase d’utilisation du bâtiment et 5 les impacts de l’eau utilisée pendant la phase d’utilisation du bâtiment IBâtiment = IÉnergie + IEau + I Composant + I Chantier (II. 1) Selon la norme [EN-15978, 2011] et [EN-15804, 2011] la contribution à chacun des indicateurs environnementaux peut être calculée pour chaque module des phases du cycle de vie en utilisant le calcul matriciel : [ PRC DI ENR ⋮ ] = [ ∑ ∑ prci,j ∙ mi,j ∙ N(i) i j + ∑ ∑ prci,f ∙ mi,j i j ∙ ReqSL ∑ ∑ dii,j ∙ mi,j ∙ N(i) i j + ∑ ∑ dii,f ∙ mi,j i j ∙ ReqSL ∑ ∑ enri,j ∙ mi,j ∙ N(i) i j + ∑ ∑ enri,f ∙ mi,j i j ∙ ReqSL ⋮ ] ⏟ Contributeurcomposant + 𝑀é𝑙 [ prci,g dii,g enri,g ⋮ ] ⏟ contributeur énergie + 𝑀𝑒 [ prci,h dii,h enri,h ⋮ ] ⏟ contributeur eau + [ prci,l ∙ mi,l dii,l ∙ mi,l enri,l ∙ mi,l ⋮ ] ⏟ contributeur chantier (II. 2) Pour j = [A1àA3, A4, B1, B4, C1, C2, C3, C4, D], l = [A5], f = [B2, B3, B5],g = [B6] et h = [B7] Où: 𝑝𝑟𝑐i , dii ,𝑒𝑛𝑟i , etc., sont les impacts environnementaux : contribution au changement climatique, aux déchets, à l’énergie non renouvelable, etc., par unité de composant/processus i ; 𝐴i représente les phases de production et de construction de l’ACV du bâtiment ; 𝐵i représente les phases d’utilisation de la construction de l’ACV du bâtiment ; 𝐶i représente les phases de la fin de vie de la construction de l’ACV du bâtiment ; mi,j est la masse de composants/processus i utilisée au cours de la phase j ; ReqSL est la durée de vie requise du bâtiment ; 49 N(i) est le nombre d’utilisations du composant i pendant la durée de vie requise du bâtiment. 𝑀é𝑙 est la quantité d’énergie consommée pendant la phase d’utilisation du bâtiment ; 𝑀𝑒 est la quantité d’eau consommée pendant la phase d’utilisation du bâtiment ; Le nombre d’utilisations des composants pendant la durée de vie requise du bâtiment a un lien direct avec leur durée de vie estimée. Le calcul du nombre de remplacement repose sur des conventions ou hypothèses du modélisateur. Il convient notamment d’éviter des remplacements partiels. L’équation proposée par [EN-15978, 2011] pour calculer le nombre d’utilisations N(i) des composants ou éléments i en fonction de la durée de vie du bâtiment est : N(i) = { ReqSL DVE(i) ∀ ReqSL DVE(i) ∈ N ⌊ ReqSL DVE(i) ⌋ + 1 ∀ ReqSL DVE(i) ∈ R (II. 3) où ⌊ ReqSL DVE(i) ⌋ est la fonction qui arrondit la fonction ReqSL/DVE(i) à la valeur entière inférieure ; DVE(i) est la durée de vie estimée du composant. Exemple. Considérons que la durée de vie d’une baignoire est de 24 ans, d’un lavabo 25 ans et d’une fenêtre 35 ans. D’après l’équation II. 3, le nombre d’utilisations des composants pour une durée de vie requise du bâtiment de 50 ans sera respectivement 3 fois, 2 fois et 2 fois. L’analyse de ces calculs montre que dans le cas de la baignoire, il y a une surestimation du nombre d’utilisations, qui conduira à une surestimation des impacts environnementaux du bâtiment. Pour éviter cette surestimation, la norme propose d’appliquer des règles de coupure intégrant notamment « la probabilité réelle du remplacement ». Les conventions que nous avons retenues sont adaptées de celles proposées par [EEBGUIDE, 2011] et qui pose les quatre possibilités suivantes : – Le composant n’est pas indispensable à la sécurité, la santé ou le confort ; – L’absence de remplacement est fondée sur la pratique actuelle ; – Si le rapport d(i) DVE(i) < 0,05 (II. 4) avec : d(i) = ReqSL−DVE(i)∙⌊ ReqSL DVE(i) ⌋ ⌊ ReqSL DVE(i) ⌋ (II. 5) – Un scénario d’entretien spécifique est développé dans ce cas. 50 Enfin, en intégrant les conditions proposés par [EEBGUIDE, 2011] dans l’équation II.3 proposés par la norme [EN-15978, 2011] notre propre équation de l’évaluation du nombre de l’utilisation des composants a la forme : N(i) = { ReqSL DVE(i) ∀ ReqSL DVE(i) ∈ N ⌊ ReqSL DVE(i) ⌋ ∀ ReqSL DVE(i) ∈ R et si une des conditions est valalble ⌊ ReqSL DVE(i) ⌋ + 1 ∀ ReqSL DVE(i) ∈ R et si aucune des conditions n ′ est valable (II. 6) Dans la suite du mémoire, nos travaux se sont focalisés sur les impacts environnementaux des composants du bâtiment. Ce choix est justifié en faisant référence aux [LEBERT ET AL, 2011] et [LEBERT ET AL, 2013]. Ils ont classé en premier source des impacts environnementaux le contributeur composants suivi par le contributeur énergie, eau et chantier. Certes cela est valide pour la plupart des indicateurs et le classement peut changer pour des indicateurs spécifiques (par exemple le contributeur eau est identifié la premier source des impacts pour l’indicateur de consommation d’eau avec un pourcentage d’influence d’environ 80%). Selon l’équation II. 2, les impacts environnementaux du contributeur composant sont calculés par la somme des impacts environnementaux des composants du bâtiment. [ PRC DI ENR ⋮ ] = [ ∑ ∑ prci,j ∙ mi,j ∙ N(i) i j + ∑ ∑ prci,f ∙ mi,j i j ∙ ReqSL ∑ ∑ dii,j ∙ mi,j ∙ N(i) i j + ∑ ∑ dii,f ∙ mi,j i j ∙ ReqSL ∑ ∑ enri,j ∙ mi,j ∙ N(i) i j + ∑ ∑ enri,f ∙ mi,j i j ∙ ReqSL ⋮ ] (II. 7) Pour le calcul des impacts environnementaux du bâtiment, nous utiliserons les fiches de déclarations environnementales et sanitaires (FDES) disponibles dans la base de données INIES [INIES, 2013], qui est la base nationale française de référence sur les impacts environnementaux et sanitaires des composants, équipements et services pour l’évaluation de la performance environnementale des ouvrages. Les FDES de composants de construction et de décoration sont fournies par les fabricants et syndicats professionnels. Ces fiches présentent des informations sur les impacts environnementaux des composants du bâtiment depuis l’extraction de la matière première jusqu’à la fin de vie. Elles sont aujourd’hui conformes aux formats des normes NF P01-010 et NF EN 15804+A1. La norme française NF P01-010, publiée en décembre 2004, établit les règles et spécifications méthodologiques pour évaluer la contribution des composants de construction aux impacts environnementaux d’un ouvrage donné. Elle décrit les informations qui doivent être sélectionnées et les modalités de leurs exploitations, mais elle ne contient pas des critères de choix ou de hiérarchisation de l’information [NF P01-010, 2004]. La norme NF EN 15804+A1 devient la référence pour 51 l’acceptation des FDES dans la base INIES à partir du premier juillet 2014, mais à date de réalisation de nos travaux, la très grande majorité des déclarations disponibles étaient encore au format de la norme française. La norme NF P01-010 impose de déclarer les impacts environnementaux du berceau à la tombe, mais la déclaration des impacts par phase du cycle de vie n’est pas une obligation. Dans les faits, la majorité des déclarations présente des impacts agrégés sur l’ensemble du cycle de vie. L’utilisation des fiches de déclarations environnementales et sanitaires (FDES) des composants pour le total de cycle de vie conduit à utiliser l’équation suivante afin d’évaluer les impacts environnementaux : If,i = mi ∙ kf,i ∙ N(𝑖) (II. 8) où kf,i est le coefficient d’impact de l’indicateur 𝑓 par unité de masse de composant 𝑖 ; mi est la masse du composant 𝑖 ; If,i est l’impact environnemental 𝑓 du composant 𝑖. Un aspect très important, non spécifié dans l’équation II.8 est celui de l’estimation de la masse de chaque composant. Les unités fonctionnelles des FDES sont choisies pour faciliter la comptabilité des impacts environnementaux à partir des données provenant des projets de construction : métrés, DPGF (Décomposition du prix global et forfaitaire), etc. Ainsi, les unités fonctionnelles sont parfois exprimées en kg, parfois en linéaire, en unité de surface, etc. en fonction des pratiques du secteur. Par conséquent, il est nécessaire de prendre en compte un coefficient de conversion en fonction de l’unité fonctionnelle utilisée. Notre équation finale de calcul des impacts des composants prend donc la forme : If,i = mi × ωm,k × kf,i × N(𝑖) (II. 9) Où : ωm,k est le coefficient de conversion des unités de la masse 𝑚 et de l’unité fonctionnelle utilisée pour obtenir le coefficient de l’impact 𝑘. I𝑓,𝑖 est l’impact environnemental 𝑓 du composant 𝑖 ; Le coefficient sera égal à 1 quand les unités sont identiques. Finalement, l’équation utilisée pour évaluer les impacts environnementaux du bâtiment est : If = ∑ Ii f,i (II. 10) Dans la suite, nous allons donc pouvoir traiter les incertitudes liées à ces différents entrants (la durée de vie, le coefficient d’impact, la masse et le coefficient de conversion). Le coefficient de conversion peut être assimilé à une source d’incertitude sur la masse, mais nous avons 52 préféré le considéré comme une variable à part en considérant qu’il représente une source d’incertitude liée à la variabilité des propriétés intrinsèques des composants d’une part, d’autre part que la conversion d’une unité à l’autre est une source d’erreur pour les praticiens/modélisateurs. La question se pose alors de la disponibilité dans les bases de données existantes des données nécessaires. D’après notre étude bibliographique, nous avons remarqué qu’il n’existait aucune base de données mettant à disposition toutes les informations dont nous avions besoin pour le calcul des incertitudes dans les ACV des bâtiments. Ce constat nous a conduits à construire notre propre base de données en utilisant différentes sources disponibles. Ce travail de construction est présenté dans le paragraphe qui suit. 

De la nécessité de construire notre propre base de données

Notre modèle de calcul des impacts environnementaux s’appuie sur de nombreuses données d’entrée. En plus des données environnementales, nous avons vu que notre modèle requiert des données sur les durées de vie, sur les propriétés des composants et sur les masses de composants utilisés. Il existe différentes bases de données propres au secteur de la construction. La base de données suisse KBOB [KBOB, 2010], la base de données allemande Ökobau [DGNB, 2010], la base de données nord-américaine ATHENA [ATHENA, 2010], la base de données néerlandaise IVAM [IVAM, 2010], la base de données française INIES [INIES, 2009], pour ne citer que les plus utilisées, fournissent des données (les coefficients d’impact de notre modèle) sur les composants de construction généralement sous la forme de valeurs d’indicateurs environnementaux (ou de flux) exprimés par unité fonctionnelle [LASVAUX, 2010]. Les bases de données fournissent des données spécifiques, collectives ou génériques, mais aucune ne répond au besoin de la propagation des incertitudes. Ces données sont présentes surtout sous la forme de valeurs ponctuelles, et à chaque composant ou matériau (variable selon la nomenclature utilisée par la base de données) est associée une unique valeur par indicateur. Cela est valable également pour la durée de vie des composants, leurs propriétés et les métrés du bâtiment. La base de données ECOINVENT [KELLENBERGER, 2007] sur laquelle est fondée la base de données KBOB, permet quant à elle de générer artificiellement des incertitudes par la matrice de pédigrée [GOEDKOOP, 2008]. En revanche, elle ne contient pas d’informations sur la durée de vie et les propriétés des composants. La base de données INIES contient des 53 informations riches sur les fiches des déclarations environnementales et sanitaires des composants. Même si elle contient environ 1200 FDES, elle ne dispose pas d’une nomenclature adaptée aux besoins de calcul des incertitudes et nécessite une amélioration en intégrant de données manquantes. Il est donc fondamental de donner une définition robuste de la nomenclature de cette base et également une intégration de données manquantes. Ce paragraphe suivant décrit la structure de cette base de données que nous avons constituée ainsi que le travail réalisé pour qualifier la qualité des informations qu’elle contient. La figure II. 2 présente le schéma de construction de notre base de données et notamment les sources utilisées pour la construire 

Le niveau de finesse de la nomenclature de la base de données

Pour construire une base de données générique pertinente et répondant à nos besoins, il est nécessaire de dresser un inventaire complet des composants du bâtiment susceptibles d’être utilisés. Le niveau de finesse de décomposition d’un bâtiment peut être très variable. Dans la figure II. 3, nous avons présenté différents niveaux de décomposition possibles d’un ouvrage [EN-15804, 2011]. En effet la variabilité de décomposition est ainsi fonction des préférences des praticiens de l’ACV, mais surtout cette variabilité sera engendrée par la finesse des données disponibles. Exemple: Supposons le matériau soit de la laine de verre. Pour, pour le coefficient d’impact de ce matériau nous avons trouvé des données fournies sous la finesse de leur nature : la laine de verre en panneaux souples et la laine de verre en panneaux rigides. Par contre pour la durée de vie, nous trouvons dans les références une finesse sous la forme de l’utilisation : laine de verre utilisé pour isolation des plafonds et laine de verre utilisé pour les murs. Dans ce cas, nous sommes devant deux différentes nomenclatures: une selon la nature du matériau et une selon l’utilisation du matériau. Une nomenclature possible qui peut répondre à cette donnée peut être sous la forme suivante : nous pouvons données quatre différentes valeurs : laine de verre en panneaux souples pour une utilisation dans les plafonds, laine de verre en panneaux rigides pour une utilisation dans les plafonds, laine de verre en panneaux souples pour une utilisation dans les murs et laine de verre en panneaux rigides pour une utilisation dans les murs. Pour répondre au mieux possible à la nomenclature de la base de données, il est recommandé que, dans un premier temps, le bâtiment soit décomposé dans une plus grande finesse que celle adoptée au niveau du fabricant (cf. figure II.3). Avant de choisir le niveau de la finesse de la nomenclature de la base de données, il est important d’étudier tous les entrants et la décomposition qu’ils impliquent.