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Improvement of Biogenic Carbon Accounting in the Life Cycle of Wood used in Construction in Canada

Marieke Head

PhD thesis (2019)

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Cite this document: Head, M. (2019). Improvement of Biogenic Carbon Accounting in the Life Cycle of Wood used in Construction in Canada (PhD thesis, Polytechnique Montréal). Retrieved from https://publications.polymtl.ca/4053/
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Abstract

RÉSUMÉ: Au Canada, le bois est généralement utilisé comme matériau de construction. Cependant, il existe des limites dans la méthodologie de comptabilité des impacts climatiques des matériaux de construction en bois en analyse de cycle de vie (ACV). Typiquement, en ACV, l’hypothèse de la neutralité du carbone biogénique est utilisée pour la biomasse et pour les produits issus du bois, puisque le carbone séquestré par la biomasse est égal au carbone qui est émis éventuellement par cette biomasse en fin de vie. Étant donné la nature dynamique des émissions de dioxyde de carbone et de l’effet de serre, le paradigme simpliste qu’un bilan de carbone neutre est égal à la neutralité de carbone est remis en question. Il y a une quantité croissante de preuves scientifiques indiquant que les impacts climatiques réels des produits issus du bois dépendent de plusieurs facteurs, dont le temps de stockage et le timing des émissions, le type d’aménagement forestier et le type de traitement en fin de vie. L’objectif global de ce travail doctoral est de développer une méthode qui comptabilise systématiquement la captation, l’émission et le stockage de carbone biogénique dans les ACV du bois utilisé dans les bâtiments en 1) développant des profils de flux de carbone qui sont différentiés temporellement en tenant compte de la dynamique du carbone forestier, 2) développant des profils de flux de carbone différentiés temporellement du point de récolte jusqu’à la fin de vie, et 3) mettant en pratique l’ACV dynamique aux profils de flux de carbone différentiés temporellement pour une ACV berceau-au-tombeau d’un produit issu de bois. La plupart des ACV ne considèrent pas l’aménagement forestier des produits issus du bois. Ce travail de recherche vise à améliorer la comptabilité du carbone biogénique de la phase forestière du cycle de vie des produits issus de bois au Canada. Ceci implique la modélisation spécifique des flux de carbone en fonction des espèces d’arbres, des conditions de croissance et des pratiques d’aménagement forestier des forêts canadiennes aménagées. En général, les résultats démontrent que pour la plupart des paysages forestiers, la récolte de bois dans la forêt canadienne boréale engendre des émissions nettes négatives. Ce travail produit aussi des flux de carbone, appelé « ecosystem carbon costs » (ECC) pour la plupart des espèces de conifères utilisées dans la construction canadienne. Ces ECC qui peuvent être utilisés pour modéliser le carbone des écosystèmes forestiers associés avec le produit issu de bois. Les conséquences de ces résultats sont que la récolte durable de bois provenant de la plupart des paysages forestiers canadiens génère une séquestration nette, au-delà de ce qui a déjà été séquestré dans le bois récolté en soit. Compte tenu des effets bénéfiques de la récolte durable des forêts sur le bilan de carbone biogénique global des produits issus de bois, la dynamique du carbone des forêts devrait toujours être incluse dans les ACV des produits issus de bois. La comptabilité du carbone biogénique n’est présentement pas considérée à travers la durée de vie des produits issus de bois dans les études d’ACV. Ce travail vise à améliorer la comptabilité du stockage et des flux de carbone dans les produits issus de bois à longue durée de vie en ACV. Le carbone biogénique du bois rond façonné est suivi à travers la production de produits issus de bois, la vie du bâtiment et sa fin de vie. À partir de ces étapes, les stocks et flux de carbone vers l’atmosphère ont été estimés. Les résultats démontrent que le degré de délai des émissions de fin de vie est principalement dépendant des paramètres tels que le type de produit issu de bois, la région où le bois est utilisé et la durée de vie. Ce travail développe des profils de carbone biogénique qui permettent la modélisation des ACV berceau-au-tombeau dynamique des produits de construction issus de bois canadiens. Les résultats impliquent que le carbone biogénique du traitement du bois jusqu’à la fin de vie peut avoir des émissions de carbone variables, qui dépendent des paramètres spécifiques du bâtiment. Après avoir considéré les émissions, le stockage et la prise du carbone biogénique dans les ACV de produits issus de bois, l’élément final du projet est d’intégrer le timing des émissions de gaz à effet de serre. L’objectif de ce travail est de calculer une base de données d’inventaire de cycle de vie qui est différentié temporellement ce qui rend les impacts de changement climatique dynamique selon des contextes d’utilisation différents à travers le Canada. Les résultats incluent tous les éléments de ce travail de recherche, qui permet l’évaluation d’impacts de changement climatiques du berceau-au-tombeau. À cet effet, ils permettent de prononcer un verdict sur la pertinence de la neutralité de carbone biogénique des produits issus de bois. Dans la majorité des cas, les impacts nets de changements climatiques du cycle de vie des produits issus de bois sont négatifs. Ceci implique que l’hypothèse de neutralité de carbone pour le carbone biogénique serait conservatrice et a tendance à surestimer les impacts de changement climatique du cycle de vie. Les cadres établis dans cette recherche doctorale permettent l’évaluation complète du berceau-au-tombeau des impacts de changements climatiques des produits issus de bois dans le contexte de l’industrie de la construction canadienne. Les résultats des impacts des changements climatiques en soit démontrent que la plupart des produits issus du bois ont une séquestration de carbone nette sur le cycle de vie et par conséquence, les émissions de carbone biogénique du cycle de vie ne s’annulent pas. Ces conclusions s’ajoutent à celles déjà présentes dans la littérature et permettent de dissiper le mythe que les produits issus de bois devraient être considérés carboneutres en ACV.----------ABSTRACT: In Canada, wood is commonly used as a building material throughout the construction sector. However, the climate impacts of wood construction materials currently have limitations in how they are accounted for in life cycle assessment (LCA). Typically in LCA, a biogenic carbon neutral assumption is used for biomass and wood products, due to the fact that the carbon sequestered by biomass is equal to the carbon eventually released by that biomass. Given the dynamic nature of carbon dioxide emissions and the resulting effect on the greenhouse gas effect and subsequently on climate change, the simplistic paradigm that carbon neutral equals climate neutral is being questioned. There is an increasing body of scientific evidence that the actual climate impacts are dependent on many factors, such as storage time and emissions timing, the type of forestry management practiced, and the end-of-life treatment of the wood product. The overall object of this PhD work is to develop a method that consistently accounts for the uptake, emission and storage of biogenic carbon in the life cycle assessments of wood used in buildings by 1) developing temporally differentiated carbon flux profiles of the forestry carbon dynamics, 2) developing temporally differentiated carbon flux profiles from the point of harvest through to end-of-life, and 3) applying dynamic life cycle assessment to cradle-to-grave temporally differentiated carbon flux profiles of wood products. Most wood LCAs do not consider the forest management of wood products. This research work aims to improve the biogenic carbon accounting of the forestry phase of the life cycle of softwood products in Canada. This involves specifically modelling carbon fluxes as a function of tree species, growing conditions and forest management practices, from Canadian managed forests. Overall, the results show that for most forest landscapes, harvesting wood in the Canadian boreal forest results in net negative emissions. The research work also yields carbon fluxes, termed as ecosystem carbon costs (ECC) for most softwood species used in Canadian construction that can be used to model the forestry ecosystem carbon associated with the wood product. The implications of these results are that the sustainable harvesting of wood from most Canadian forest landscapes show a net sequestration, beyond what is already sequestered in the harvested wood itself. Considering the beneficial effects of sustainably harvesting forests on the overall biogenic carbon balance for wood products, forestry carbon dynamics should always be included in the life cycle assessments of wood products. Biogenic carbon accounting is currently not considered throughout the lifespan of wood products in LCA studies. This work aims to improve the accounting of carbon storage and fluxes in long-life wood products in LCA. Biogenic carbon from harvested roundwood logs were tracked through wood product manufacturing, building life and end-of-life phases, and carbon stocks and fluxes to the atmosphere were estimated. The results show that the degree of postponement of end-of-life emissions is highly dependent upon the wood product type, region and building lifespan parameters. This work develops biogenic carbon profiles that allows for modelling dynamic cradle-to-grave LCAs of Canadian wood building products. The implications of the results are that the biogenic carbon from wood processing to end-of-life can have variable positive carbon emissions, which are dependent on the specific building parameters. The final element in considering the biogenic carbon emissions, storage and uptake in wood product LCAs, is to integrate the timing of greenhouse gas emissions. The objective of this work is to calculate a database of temporally differentiated life cycle inventories (LCI) and dynamic climate change impacts of wood products, for different use contexts across Canada. The results encompass all the elements of this research work, allowing for the cradle-to-grave climate change impacts of wood products to be evaluated. In doing so, they allow for a verdict to be made on the relevance of biogenic carbon neutrality of wood products. In all but potentially the most outlying cases where ECC scores are positive or have very low levels of sequestration, the overall net life cycle climate change impacts of wood products are negative. This implies that using a carbon neutrality assumption for biogenic carbon would be a conservative assumption by overestimating overall life cycle climate change impacts. The frameworks established within this doctoral research allow for a full cradle-to-grave assessment of climate change impacts of wood products in the context of the Canadian construction sector. The climate change impact results themselves show that most wood products have net life cycle carbon sequestration and thus life cycle biogenic carbon emissions do not cancel themselves out. These findings add to the mountain of evidence in the literature that help in dispelling the myth that wood products should be considered biogenic carbon neutral in LCA.

Open Access document in PolyPublie
Department: Département de mathématiques et de génie industriel
Academic/Research Directors: Manuele Margni, Annie Levasseur and Robert Beauregard
Date Deposited: 09 Dec 2019 13:53
Last Modified: 12 Dec 2019 10:14
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/4053/

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