Analyse de cycle de vie à l`échelle du quartier

Analyse de cycle de vie à l’échelle du quartier
Bruno Peuportier, Emil Popovici et Maxime Trocmé
Analyse de cycle de vie à l’échelle du quartier
Bruno Peuportier, Emil Popovici et Maxime Trocmé1
1
Ecole des Mines de Paris, Centre Energie et Procédés, 60 Bd St Michel, 75272 Paris
Cedex 06 - Tel : 01.40.51.91.51 – email : [email protected]
RESUME. Un outil d’évaluation des impacts environnementaux est proposé pour aider les concepteurs à améliorer la qualité
environnementale d’un quartier neuf ou existant. Permettant de comparer plusieurs variantes, cet outil constitue une aide à
la conception.
La méthode est basée sur l’analyse de cycle de vie (ACV), en tirant parti de précédents travaux menés à l’échelle du
bâtiment. Il s’agit de comptabiliser les substances émises et puisées dans l’environnement, de la fabrication des matériaux à
la fin de vie, puis d’évaluer des indicateurs environnementaux comme la contribution à l’effet de serre, la consommation
d’eau, la génération de déchets, etc.
Cette méthode a été appliquée sur des études de cas, à Montreuil dans le cadre du projet européen E-co-housing, et sur le
quartier Lyon-Confluence.
MOTS-CLÉS : environnement, quartier, analyse de cycle de vie
1.
INTRODUCTION
Satisfaire les besoins du présent sans nuire aux générations futures reste difficile à mettre en
pratique, en particulier au niveau urbain. Les premières expériences européennes en matière d’écoquartiers montrent les possibilités et les limites d’une telle approche. Si les acteurs du projet BedZed à
Londres communiquent davantage sur leurs intentions que sur les performances réelles obtenues, le
suivi expérimental mené sur le quartier Vauban à Freiburg (Wittwer et Voss, 2001) permet de
démontrer la faisabilité d’un certain nombre de concepts comme les « maisons Plus Energie »,
associant une forme d’urbanisme solaire à la gestion raisonnée des transports et à des équipements
collectifs (gestion des eaux pluviales, co-génération…).
Les initiatives émanant de municipalités, de promoteurs privés ou d’autres acteurs induisent un
besoin d’outils adaptés à ces nouvelles demandes. A l’image des travaux concernant la qualité
environnementale des bâtiments, divers types de réponses sont proposées. Dans ce contexte,
l’évaluation rigoureuse des aspects quantifiables de la qualité environnementale complète des
approches plus qualitatives.
2.
PRESENTATION DE LA METHODOLOGIE
L’Analyse de Cycle de Vie (ACV) permet d’évaluer les impacts environnementaux d’un produit,
depuis sa fabrication jusqu’à sa fin de vie. Cette méthode a été utilisée par différents fabricants de
matériaux de construction et plusieurs outils sont proposés pour les bâtiments (Peuportier et al., 2004).
Nous présentons ici le développement d'un outil d’ACV au niveau d'un quartier (Popovici et
Peuportier, 2004), (Popovici, 2006), qui peut inclure :
BILAN ET PERSPECTIVES DU PROJET ADEQUA
-
différents types de bâtiments (logements, magasins, bureaux, écoles, hôpitaux, hôtels etc.),
-
leur infrastructure d'accès (routes et rues, parcs de stationnement, espaces verts etc.)
-
des réseaux (système de distribution d'eau, égout, gestion des déchets, chauffage urbain, etc.).
Il convient également de tenir compte des aspects liés au comportement des résidents
(consommation d’eau et d'énergie, traitement des déchets, pourcentage de tri et de recyclage, etc.) et
des caractéristiques du site (distances de transport, climat, énergies utilisées pour la production
d'électricité et de chauffage urbain, etc.).
Selon la méthodologie de l’ACV (ISO, 1997), les substances puisées et émises dans
l'environnement sont comptabilisées (phase d’inventaire) puis des indicateurs environnementaux sont
déduits pour les quatre phases du cycle de vie du quartier : construction (extraction des matières
premières, production et transport des matériaux), utilisation (chauffage, éventuellement climatisation,
consommation d'eau, etc.), rénovation (remplacement des composants : fenêtres, revêtements des
bâtiments et des rues) et démolition (transport et traitement des déchets).
Il faut noter ici que le terme « rénovation » est employé dans son sens commun et non dans le sens
plus spécialisé de la rénovation urbaine (démolition puis reconstruction d’un ou plusieurs bâtiments).
Cette précision conduit à expliciter l’usage prévu de l’outil dans différentes situations.
Construction d’un nouveau quartier sur un terrain non bâti. Le modèle montre l’influence des
choix de conception sur les impacts prévisibles pendant une durée d’analyse donnée (par exemple 80
ans). Il inclut la fabrication, l’entretien et le remplacement des composants (par exemple le choix de
composants ayant une plus grande durabilité permet de réduire les impacts de « rénovation »), ainsi
que leur fin de vie (mise en décharge, incinération etc.), mais aussi la phase de fonctionnement
(choisir une forme urbaine plus compacte permet de réduire les besoins de chauffage et les impacts
correspondant). Des variantes de conception peuvent être comparées afin de guider les décisions.
Démolition d’un îlot existant et construction de nouveaux bâtiments. Le calcul peut être
effectué en deux phases : la modélisation de l’ancien îlot (seule la phase de démolition est alors prise
en compte), puis du nouveau projet (cf. le cas précédent).
Etude comparative entre la réhabilitation d’un îlot existant et sa « rénovation » (démolition
puis reconstruction). Le calcul démolition + reconstruction correspond au cas précédent. La
réhabilitation nécessite également un double calcul. Il est utile de faire un état des lieux des bâtiments
existants, puis d’effectuer un deuxième calcul pour évaluer les projets après réhabilitation (dans ce cas
également, il est intéressant de comparer plusieurs variantes). Les impacts de la réhabilitation
proprement dite peuvent être déduits par soustraction, les impacts ultérieurs (fonctionnement,
« rénovation » et « démolition ») étant évalués par le deuxième calcul.
Une combinatoire de ces différentes situations peut être envisagée sur un même quartier. Celui-ci
est alors divisé en sous-parties sur lesquelles les analyses précédentes peuvent être menées.
Les données environnementales concernant la fabrication des matériaux et les différents procédés
inclus dans le système (production d’énergie et d’eau, traitement des déchets et des eaux usées,
transports…) sont issues de la base Ecoinvent développée par des instituts de recherche suisses
(Frischknecht et al, 2004). Cette base fournit pour chaque procédé et matériau, en fonction de l’unité
de référence considérée (par exemple kg pour les matériaux, TJ pour l’énergie, tonne-km pour le
-2-
BILAN ET PERSPECTIVES DU PROJET ADEQUA
transport des marchandises), un inventaire de cycle de vie c’est à dire l’ensemble des flux de matière
et d’énergie entrant et sortant du système :
-
les ressources utilisées (par exemple matériaux rares, eau, énergie),
-
les émissions dans l'air, l'eau, le sol (CO2 dans l'air, ammoniaque dans l'eau, métaux dans le sol…),
-
les déchets créés (par exemple inertes, toxiques, radioactifs).
Des indicateurs environnementaux sont alors évalués (cf. Tableau 1), par exemple la contribution à
l’effet de serre est calculée en fonction des quantités de chaque gaz (données dans l’inventaire),
pondérées par le potentiel de réchauffement global correspondant (Houghton et al, 2001).
Indicateur environnemental
Unité
Demande cumulative d’énergie
GJ
Eau utilisée
m3
Epuisement des ressources abiotiques
kg antimoine eq.
Déchets produits
t
Déchets radioactifs
dm3
Effet de serre (100 ans)
t CO2 eq.
Acidification
kg SO2 eq.
Eutrophisation
kgPO43- eq.
Dommage à la qualité des écosystèmes dus à l’écotoxicité PDF*m2
Dommage à la santé
DALY.
Production d’ozone photochimique
kg C2H4 eq.
Odeur
m3 air
Référence
(Frischknecht et al, 2004)
(Frischknecht et al, 2004)
(Guinee et al, 2001)
(Frischknecht et al, 2004)
(Frischknecht et al, 2004)
(Guinee et al, 2001)
(Guinee et al, 2001)
(Guinee et al, 2001)
(Goedkoop et Spriensma, 2000)
(Goedkoop et Spriensma, 2000)
(Guinee et al, 2001)
(Guinee et al, 2001)
Tableau 1 : Les indicateurs environnementaux évalués
Ces indicateurs sont évalués pour chaque type de bâtiment du quartier sur son cycle de vie, puis
sur le quartier dans son ensemble. En utilisant un diagramme radar comportant 12 axes associés à ces
12 indicateurs, diverses alternatives peuvent être comparées pour améliorer le projet du point de vue
environnemental.
Les indicateurs sont également présentés en montrant la contribution relative de chaque phase
principale du cycle de vie (construction, utilisation, rénovation, et démolition). Ceci permet de mieux
cerner les possibilités d’améliorer un projet : par exemple si l'impact de la phase d'utilisation est trois
fois plus grand que celui de la construction, la priorité peut être donnée aux économies de flux
(énergie, eau, déchets) plutôt qu’à l’utilisation de matériaux à moindre impact.
La simulation du cycle de vie est effectuée sur une période d'analyse, qui peut correspondre à la
durée de vie supposée d’un bâtiment (par exemple 80 ans), en utilisant un pas de temps annuel.
3.
MISE EN ŒUVRE DANS UN ENSEMBLE LOGICIEL D’AIDE A LA CONCEPTION
ARIADNE complète un ensemble d’outils au niveau des bâtiments :
-
ALCYONE, description géométrique du bâtiment (Salomon et al., 2005),
-
COMFIE, simulation thermique (Peuportier et Blanc Sommereux, 1990)
-
et EQUER, ACV des bâtiments (Polster et al., 1996).
Ces outils sont chaînés via des fichiers textes dans lesquels les données de bâtiment (la géométrie,
les besoins d'énergie, les quantités et types de matériaux impliqués) sont écrites par l'outil situé en
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BILAN ET PERSPECTIVES DU PROJET ADEQUA
amont et lues par l'outil situé en aval. Le nouveau logiciel, ARIADNE est relié à EQUER, prolongeant
ainsi la chaîne de transfert de données (cf. Figure 1).
ALCYONE
COMFIE
géométrie
EQUER
énergie
ARIADNE
impacts du impacts du
quartier
bâtiment
Figure 1: Chaînage des entrées/sorties entre les outils d’évaluation
ALCYONE - le modeleur 2d-3d transfère les données architecturales à l'outil de simulation
thermique COMFIE. Le bâtiment est décomposé en volumes appelés zones ayant un comportement
thermique homogène (température unique).
COMFIE - un modèle est importé d'ALCYONE, complété par des données sur l’utilisation du
bâtiment, puis la simulation est effectuée en utilisant des données météorologiques horaires. Le
programme calcule les besoins d'énergie (chauffage, climatisation et éclairage) et des températures
horaires pour les différentes zones thermiques du bâtiment. Les données de l’enveloppe, définie par
ses matériaux et leurs quantités, et les besoins d'énergie, sont alors transférés à l'outil EQUER.
EQUER - un modèle est importé de COMFIE, complété par des données sur les déchets, les
consommations d’eau, éventuellement les transports domicile-travail, puis l’analyse de cycle de vie est
effectuée pour évaluer le profil environnemental du bâtiment.
ARIADNE – les résultats d’EQUER sont importés pour chaque type de bâtiment, en précisant le
nombre de bâtiments de chaque type. Des données supplémentaires doivent être fournies sur les
espaces extérieurs et les réseaux, ce qui permet de mener l’ACV du quartier.
4.
APPLICATION DE LA METHODE SUR LE QUARTIER LYON CONFLUENCE
Figure 2 : Zone étudiée
Le projet Lyon Confluence concerne la requalification de
l’ensemble de la Presqu’île entre le Rhône et la Saône au
delà de la gare SNCF de Perrache, soit près de 150 ha. La
zone d’étude sélectionnée (îlots A, B et C, cf. Figure 2)
représente environ 60 000 m² de logements et 15 000 m² de
bureaux. Elle comporte aussi de nombreux espaces publics
(environ 70 000 m² d’espaces verts, rues, quais…). En
appliquant le modèle décrit précédemment, les
performances du projet sont comparées à deux références,
l’une correspondant au standard actuel et l’autre aux
meilleures pratiques : trois variantes sont donc définies.
La variante Standard correspond environ aux niveaux d’exigences réglementaires en construction
neuve (RT2005 et techniques communément mises en œuvre en France) ;
La variante Base correspond aux choix techniques et architecturaux retenus par la SEM Lyon
Confluence pour répondre aux objectifs du programme européen Concerto : -40% de consommation
énergétique par rapport à la RT2000, prise en charge par les ENR de 80% des besoins de chauffage et
ECS, et de 50% des consommations électriques des espaces communs) ;
-4-
BILAN ET PERSPECTIVES DU PROJET ADEQUA
La variante Meilleures Pratiques correspond aux techniques existantes les plus performantes
(généralisation de la ventilation double flux, sur-isolation, traitement des ponts thermiques).
Etude thermique
Les vingt bâtiments constituant le quartier ont été modélisés en considérant plusieurs zones
thermiques, et en prenant en compte les masques générés par les bâtiments voisins (cf. Figure 3).
N
N
Ilot A, partie nord (les couleurs correspondent aux
différentes zones thermiques du bâtiment D)
N
Ilot A, partie sud, bâtiments QN1
Ilot C, coté logement
Figure 3 : Modélisation des îlots, exemples (logiciel ALCYONE)
Standard
Epaisseur d’isolant dans les
murs extérieurs
Ventilation
Ponts thermiques
U moyen des vitrages
Base
12 (A); 20 (B) & 17 (C)
10 cm
cm
Simple Flux HygroSimple Flux (0,6 vol / h)
réglable ou Double Flux
0,7 W / mK pour tous les 0,2 W / mK pour tous les
éléments
éléments
1,8 W / m²K (logements)
1,5 W / m²K
2,1 W / m²K (bureaux)
Meilleures Pratiques
15 cm
Double Flux (0,6 vol /
h, efficacité de 0,7)
0,5 W / mK pour le
plancher bas
0,7 W / m²K (triple
vitrage)
Tableau 2 : Principales caractéristiques thermiques des variantes comparées
Les hypothèses communes à toutes les variantes sont la consigne de température de 20°C
constante ; les apports internes de 21 kWh/m² (25 kWh/m² auxquels on retranche les consommations
des lave-linge et lave-vaisselle, l’eau chauffée étant évacuée) ; l’occupation des résidents : 25%
d’occupation entre 8h00 et 18h00 la semaine et 100% pour le reste du temps ( avec 90 W par résident).
Les trois variantes diffèrent par les techniques (isolation, ventilation…), mais l’architecture
influence également les performances : à caractéristiques techniques identiques, la consommation
calculée par simulation varie du simple au triple entre les bâtiments 1 et 10 de l’îlot B pour la variante
Meilleures Pratiques (ratio de 4 kWh / m² pour le bâtiment 10 contre 13 kWh / m² pour le bâtiment 1)
et quasiment du simple au double (29 kWh / m² et 58 kWh / m²) dans la variante Standard.
-5-
Le cahier des charges, répondant aux
exigences du programme européen Concerto,
limite la consommation de chauffage à 60
kWh/m2 pour les logements et 40 pour les
bureaux, soit une moyenne de 56 kWh/m2.
Les résultats obtenus avec le logiciel
COMFIE correspondent à cet objectif (en
moyenne sur les 3 îlots), en considérant un
rendement moyen de 60% pour la chaudière
bois.
Besoins de chauffage en kWh /
m².an
BILAN ET PERSPECTIVES DU PROJET ADEQUA
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Standard
Base
Meilleures
Pratiques
Figure 4 : Besoins de chauffage pour les 3 variantes
Analyse de cycle de vie
Les bâtiments sont chauffés à 100% au gaz dans la variante Standard, à 80% bois et 20% gaz dans
les variantes Base et Meilleures Pratiques. La consommation d’électricité (78% nucléaire, 14%
hydroélectrique, 4% gaz et 4% charbon) correspond aux données du tableau suivant (sur une base de
85 m² par logement). Dans les variantes Base et Meilleures Pratiques, 50% de l’électricité est produite
par les panneaux solaires photovoltaïques et une réduction de 40% de la consommation d’eau est
considérée. Enfin les systèmes d’eau chaude sanitaire solaire assurent 40% des besoins.
Standard
3000 kWh / logement / an
Consommation électrique
Consommation d’eau chaude 40 l / résident / jour
100 l / résident / jour
Consommation d’eau froide
Base
2125 kWh / logement / an
14,4 l / résident / jour
69,9 l / résident / jour
Meilleures Pratiques
1800 kWh / logement / an
14,4 l / résident / jour
69,9 l / résident / jour
Tableau 3 : Hypothèses de l’analyse de cycle de vie des bâtiments
A ces bâtiments sont associés des espaces publics (deux variantes sont envisagées, Espaces Publics
Standard et Espaces Publics Base) dont les principales caractéristiques sont les suivantes.
Consommation électrique des rues /
place / quai
Consommation électrique des
espaces verts
Imperméabilité des rues
Imperméabilité des Quais & de la
dalle Ouest de l’îlot C
Imperméabilité dalle en béton
Imperméabilité des espaces verts
Pourcentage eau de pluie rejeté
vers systèmes de rétention
Arrosage
Standard
30 kWh / (m².an)
(incandescent)
Base
6 kWh / (m².an)
(sodium)
15 kWh / (m².an)
3 kWh / (m².an)
95%
95%
85%
40%
85%
25%
85%
25%
10%
90%
Eau du réseau
Eau récupérée
Tableau 4 : Hypothèses de l’analyse de cycle de vie des espaces publics
L’Analyse de Cycle de Vie du quartier associe les variantes Standard et Espaces Publics Standard.
Les variantes Base et Meilleures Pratiques sont associées aux Espaces Publics Base. Le diagramme
radar obtenu par le logiciel ARIADNE permet de comparer ces alternatives (cf. Figure 5).
-6-
BILAN ET PERSPECTIVES DU PROJET ADEQUA
Figure 5 : Analyse de cycle de vie comparative des 3 variantes (logiciel ARIADNE)
Les impacts environnementaux du projet (base) sont nettement réduits par rapport à la référence
Standard sauf en ce qui concerne les dommages dus à l’écotoxicité et les dommages à la santé, ce qui
est lié au chauffage au bois. Mais l’inventaire utilisé pour une chaudière bois est issu de la base
EcoInvent 1.2, qui reflète la moyenne suisse. Disposer d’un inventaire spécifique aux chaudières mises
en œuvre à Lyon améliorerait la précision de cette analyse. Compte tenu des bonnes pratiques
environnementales choisies, l’influence des espaces publics est très faible dans le quartier, ce qui ne
serait pas le cas si des pratiques conventionnelles avaient été retenues : leur contribution aurait pu
atteindre 32% des consommations d’énergie primaire dans la variante Meilleures pratiques.
Enfin, le réchauffement climatique étant une problématique majeure du projet Concerto, il est utile
d’indiquer les émissions moyennes des espaces publics et des bâtiments (cf. tableau 5).
Bâtiments
Espaces Publics
Emissions de gaz à effet de serre en kg CO2 éq. / (m².an)
Standard
Base
Meilleures Pratiques
21,9
7,9
5,6
2,2
0,4
0,4
Tableau 5 : Emissions de gaz à effet de serre des bâtiments et des espaces publics
Grâce à leurs performances thermiques élevées et à une forte intégration des énergies
renouvelables, les bâtiments sont 64% moins émetteurs de CO2 que des bâtiments standards. Les
émissions des espaces publics sont réduites de 82%, en particulier grâce à un éclairage optimisé.
5.
CONCLUSIONS
Un outil logiciel d’aide à la conception des quartiers, ARIADNE, a été développé en complément
d’un outil de simulation thermique (COMFIE) et d’un logiciel d’analyse de cycle de vie des bâtiments
(EQUER). La méthode d’évaluation environnementale employée est l’analyse de cycle de vie. Le
travail a consisté à modéliser les composants du quartier, puis à adapter les outils informatiques
existants et à les chaîner à l’outil ARIADNE. Une nouvelle base de données environnementales a été
intégrée et les indicateurs utilisés ont été mis à jour.
-7-
BILAN ET PERSPECTIVES DU PROJET ADEQUA
Cet ensemble logiciel est développé dans l’objectif de fournir une aide à la conception et à la
décision pour les développeurs de projets immobiliers (promoteurs, municipalités, groupes
d'investisseurs…), les concepteurs et réalisateurs (architectes, bureaux d’études techniques,
entreprises) et les utilisateurs. Ce travail vise à renforcer les liens entre la conception urbaine,
architecturale et technique, afin de progresser vers une conception intégrée.
Quelques premières évaluations effectuées en phase de conception ou de rénovation de petits
quartiers situés dans trois pays européens (cf. www.eco-housing.org ) ont montré l’applicabilité de la
méthode et ses potentialités pour faciliter la mise en œuvre de politiques environnementales au niveau
urbain. Une application à plus grande échelle sur le projet Lyon Confluence montre l’intérêt d’une
conception intégrée, associant en amont l’ensemble des concepteurs des bâtiments dans une démarche
commune.
6.
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