Méta-analyse des coefficients de substitution en analyse du cycle de vie conséquentielle de la gestion des matières résiduelles

La performance environnementale globale d'une technologie de traitement des matières résiduelles dépend de plusieurs facteurs. L'un d'eux est la capacité des coproduits générés par le traitement des matières résiduelles à éviter la production primaire et les émissions qui y sont associées. Ce facteur est fréquemment le plus déterminant de la performance environnementale. La modélisation de la substitution vise à prendre en compte ce facteur dans les analyses du cycle de vie (ACV). Cependant, il n'existe actuellement aucune méthode qui est uniformément utilisée pour déterminer la substitution. L'utilisation de la substitution est complexe pour plusieurs raisons. Il s'agit tout d'abord de déterminer les matières substituables l'une par rapport à l'autre. Pour être substituables, les matières doivent être fonctionnellement équivalentes. Deuxièmement, il faut connaître les différents marchés de chacune des matières substituables. Or, le tout est interrelié par des mécanismes complexes de chaîne de cause à effet et plusieurs acteurs de la technosphère sont impliqués. Pour répondre à la problématique, ce mémoire a pour objectif principal d'évaluer de manière critique l'utilisation des rapports de substitution en ACV de la gestion des matières résiduelles. Afin d'atteindre cet objectif, l'étude a été divisée en quatre sous-objectifs : 1) dresser un portrait des rapports de substitution utilisés dans le domaine des ACV de gestion des matières résiduelles; 2) déterminer l'importance de ces rapports sur la quantification des impacts environnementaux; 3) déterminer dans quelle mesure ces rapports sont justifiés en fonction de l'impact des propriétés des matières recyclées sur leur usage et 4) déterminer comment les technologies de recyclage affectent les propriétés des matières recyclées. Pour répondre à ces objectifs, une méta-analyse sur les différents paramètres nécessaire à la quantification de la substitution a tout d'abord été réalisée. Par la suite, une série d'ACV simplifiée a été réalisée sur les processus de recyclage et de valorisation des matières résiduelles. Ces ACV ont permis de déterminer la sensibilité des impacts environnementaux vis-à-vis des ratios de substitution. En parallèle, une évaluation du réalisme des ratios de substitution par rapport à l'usage des matières récupérées a été menée. Finalement, une dernière étape a consisté à identifier les propriétés importantes des matières récupérées qui ont une influence sur la fonction principale du produit étudié et qui sont affectées par le recyclage. Les résultats de l'étude ont démontré qu'une grande proportion des études ACV sur les matières résiduelles considère des rapports de substitution de 1 : 1 pour toutes catégories de matières confondues. Lorsque les ratios sont différents de 1 : 1, une grande dispersion entre les valeurs minimales et maximales est observée. L'évaluation du réalisme des ratios de substitution a révélé que premièrement une très grande proportion des ratios recensés ne sont tout simplement pas justifiés par les auteurs des études. Deuxièmement, aucune des justifications comptabilisées n'est réaliste par rapport aux propriétés des matières et de leur usage. Ensuite, les analyses de sensibilité ont démontré que le verre, le polyéthylène haute-densité et particulièrement le carton sont les matières les plus sensibles à la variation du ratio de substitution dans l'évaluation des impacts environnementaux. En se concentrant sur le carton, les recherches ont mis de l'avant que la force en compression et la résistance en flexion sont les propriétés les plus importantes pour répondre à l'usage des boîtes de carton. Finalement, il a été déterminé que ces propriétés sont influencées par la perte de liens entre les fibres formant la pâte et que c'est cette perte de qualité qui devrait justifier les ratios de substitution pour le recyclage des boîtes de carton ondulé.

Abstract

The overall environmental performance of a waste treatment technology depends on several factors. The ability of co-products such as recycled materials to avoid primary production of materials and the associated emissions is frequently the most important determinant of the environmental performance of a residual material. Substitution modeling aims to take this factor into account in life cycle assessments (LCAs). However, there is currently no method that is uniformly used to determine the substitution. The use of substitution is a complex method. It is first of all necessary to determine the substitutable materials with respect to each other. It is, therefore, necessary to know the functional equivalence between the materials. It is also necessary to know the different markets of each material. However, the whole is interconnected by complex mechanisms of a chain of cause and effect and several actors of the technosphere are involved. The main objective of this research is to critically assess the use of substitution in LCA on waste management. In order to achieve this objective, the study has been divided into four sub-objectives: 1) to draw a portrait of the substitution ratios used in LCAs of waste management; 2) determine the importance of these ratios on the quantification of environmental impacts; 3) determine the extent to which these ratios are justified based on the impact of recycled material properties on their use, and 4) determine how recycling technologies affect the properties of recycled materials. To meet these objectives, a meta-analysis on the various parameters necessary for the quantification of the substitution was carried out. Subsequently, a series of simplified LCAs were carried out on the processes of recycling and recovery of residual materials to determine the sensitivity of environmental impacts towards the substitution ratios. In parallel, an assessment of the realism of substitution ratios in relation to the use of recovered materials was conducted. Finally, the last step was to identify the important properties of recovered materials that influence the main function of the product under study and are affected by recycling. The results of the study show that a large proportion of LCA studies on residual materials consider substitution ratios of 1: 1 for all material categories. When the ratios are different from 1: 1, a large dispersion between the minimum and maximum values exists. The evaluation of the realism of the substitution ratios revealed that firstly a very large proportion of the ratios identified are simply not justified by the authors of the studies. Secondly, none of the identified justifications is realistic with respect to the properties of the materials and their use. Then, sensitivity analyzes showed that glass, high-density polyethylene and particularly cardboard are the most sensitive materials to the variation of the substitution ratio in the environmental impacts evaluation. Focusing on cardboard, research has shown that compressive strength and bending strength are the most important properties for handling cardboard boxes. Finally, it has been determined that these properties are influenced by the loss of bonds between the fibers forming the pulp and that it is this loss of quality that should justify the substitution ratios for the recycling of corrugated boxes.