Repenser l'évaluation des impacts du cycle du vie à travers le prisme des services écosystémiques : enjeux, cadre méthodologique et applications.

L’Analyse du Cycle de Vie (ACV) est un outil central pour évaluer la durabilité. Cette méthodologie, encadrée par des normes, se compose de quatre étapes. La troisième étape, appelée évaluation des impacts du cycle de vie (EICV), vise à convertir les résultats de l’inventaire (par exemple les émissions de substances toxiques) en impacts environnementaux potentiels. Cette conversion repose sur des facteurs de caractérisation (CF), calculés à partir de modèles de caractérisation qui simulent les chaînes de cause à effet reliant les éléments de l’inventaire à leurs impacts potentiels. Les modèles de caractérisation s’inscrivent dans un cadre conceptuel appelé "cadre EICV", qui identifie et structure de manière cohérente les différents chemins d’impact potentiels. Ce cadre EICV et les modèles de caractérisation associés sont en constante évolution. Aujourd’hui, ils ne couvrent pas suffisamment les chemins d’impact des activités humaines sur les services rendus par la nature, appelés "services écosystémiques". Ces services jouent pourtant un rôle clé pour la société. Leur omission dans les profils d’impact de l’ACV représente alors un angle mort pour la prise de décision. Pour remédier à cette lacune et proposer des indicateurs d’impact sur les services écosystémiques, il est nécessaire de développer les modèles et les facteurs de caractérisation correspondants. Cependant, ces développements doivent rester cohérents avec les modèles existants, qui représentent des chemins d’impact sur d’autres types d’objets, tels que la santé humaine ou la qualité des écosystèmes. Or, ces derniers modèles intègrent souvent, de manière implicite, des concepts liés aux services écosystémiques tels que les fonctions écosystémiques. Pour développer des modèles de caractérisation sur les services écosystémiques cohérents avec les modèles existants, sans risque de double comptage des impacts, il est alors important d’identifier et d’expliciter ces interactions. Dans ce contexte, cette thèse par articles propose de consolider l’EICV en repensant son cadre à travers le prisme des services écosystémiques.Un premier article présente une revue critique de la littérature, croisant deux axes : une revue des concepts fondamentaux liés aux services écosystémiques et une analyse des tentatives d’intégration de ces derniers en EICV. Cette revue critique met en évidence la pertinence et les écueils de la prise en compte des services écosystémiques en EICV. Elle identifie des incohérences et un manque de clarté dans plusieurs propositions d’intégration des services écosystémiques en EICV, et appelle à l’élaboration d’un cadre EICV mieux adapté à l’intégration des services écosystémiques. En réponse, un deuxième article propose un cadre EICV révisé, s’inspirant du "modèle en cascade" de la communauté des services écosystémiques. Ce nouveau cadre EICV révèle des liens étroits entre les concepts liés aux services écosystémiques et la majorité des modèles de caractérisation existants. Pour illustrer l’applicabilité et l’exhaustivité de la couverture des chemins d’impact potentiels au sein du cadre EICV révisé, l’ensemble des modèles de caractérisation de la méthodologie IMPACT World+ y est positionné. Sur la base de ce cadre révisé, des modèles et des CF sont développés pour deux chemins d’impact. Dans un premier temps, un travail développe un modèle et ses CF évaluant les impacts de l’élévation du niveau des mers et de l’intensification des événements extrêmes sur les services écosystémiques côtiers. Les CF sont calculés en divisant la perte de potentiel de fourniture de services écosystémiques des écosystèmes côtiers susceptibles d’être inondés entre 2015 et 2100 par les émissions de gaz à effet de serre cumulées sur la même période. Dépendamment du scénario évalué, les valeurs des CF s’étendent de 16.7 à 66.1 $/tCO2eq comparables au coût social du carbone (185$/tCO2eq), ce qui valide leur ordre de grandeur. Des limites sont néanmoins identifiées, comme la difficulté à modéliser la capacité d’adaptation des écosystèmes aux événements extrêmes, ou à quantifier la demande en services écosystémiques à l’échelle mondiale. Le second chemin d’impact du cadre EICV révisé porte sur les impacts potentiels sur la santé humaine résultant de l’utilisation et de la privation d’eau douce, exprimés en DALY/m3 consommé. Deux articles y sont consacrés. Le troisième article de cette thèse consolide un modèle de caractérisation développé en 2011, en révisant ses facteurs de sort, d’exposition et d’effet pour proposer un nouvel ensemble de CF. Néanmoins, le travail souligne des limites importantes du facteur d’effet évaluant les impacts sur la santé humaine induits par la privation d’eau qui est une valeur globale ne permettant pas de rendre compte des disparités d’accès à l’eau au sein d’une population. Pour pallier cette limite, un quatrième article propose une nouvelle méthode de calcul du facteur d’effet, fondée sur l’idée que les conséquences sur la santé induites par la privation d’1 m3 d’eau varient selon la quantité d’eau quotidiennement utilisée. En distinguant différentes "classes d’utilisateurs", de nouveaux facteurs d’effet régionalisés à l’échelle nationale sont développés, puis intégrés aux autres composantes des CF mises à jour. Une démonstration empirique de la chaîne de cause à effet étudiée reste toutefois nécessaire pour consolider ce modèle. L’utilisation du cadre EICV au travers des deux chemins d’impact étudiés démontre sa pertinence et son applicabilité. Néanmoins, son application pour le développement du modèle lié à l’élévation du niveau des mers souligne une limite de son opérationnalisation : la complexité de la modélisation de la demande en services écosystémiques. Ce travail ne vise pas à proposer des lignes directrices strictes, mais à structurer les développements méthodologiques de manière cohérente et exhaustive, afin de produire des indicateurs pertinents pour la prise de décision. Ce cadre conceptuel est flexible et sa mise en oeuvre peut varier selon la chaîne de cause à effet étudiée. Il est néanmoins important de noter que l’identification des impacts jugés pertinents est un exercice subjectif ; des systèmes de valeur différents peuvent mener à des cadres différents. Le cadre EICV proposé dans cette thèse offre aux modélisateurs un outil assurant la cohérence et la complétude de leurs modèles. Les CF développés dans cette thèse à partir de ce cadre sont quant à eux destinés aux praticiens ACV, leur permettant de fournir de l’information plus complète et plus robuste pour la prise de décision. L’ensemble de ces travaux, plus généralement, contribue à consolider l’EICV.

Abstract

Life Cycle Assessment (LCA) is a key tool for sustainable management. This standardized methodology is structured into four main steps. The third step, called Life Cycle Impact Assessment (LCIA), aims to translate inventory data (e.g., emissions of toxic substances) into potential environmental impacts. This translation relies on characterization factors, which are derived from characterization models representing the involved environmental mechanisms. Characterization models are structured within an “LCIA framework”, which is a coherent and comprehensive conceptual structure that identifies and organizes pathways of potential impact and relevant indicators for decision-making. Over time, the LCIA framework and its associated characterization models have evolved. However, the current framework still insufficiently addresses the pathways by which human activities affect the benefits provided by nature, known as ecosystem services. Such services are essential to human well-being, and their omission from LCA impact profiles represents a significant blind spot for decision-making. Bridging this gap requires the development of appropriate impact models and characterization factors assessing pathways of impacts on ecosystem services. Yet, such developments must remain consistent with existing LCIA models, which typically address other impact categories such as human health or ecosystem quality. Many of these existing models implicitly integrate concepts closely related to ecosystem services, such as ecosystem functions. Therefore, to ensure conceptual coherence and avoid double counting, it is important to identify and make explicit the interactions between ecosystem services concepts and traditional LCIA pathways. In this context, the present article-based thesis proposes a revision of the LCIA framework through the lens of ecosystem services. Building on the revised framework, models and characterization factors are developed for two specific impact pathways. The first article presents a critical literature review, combining two research works: a review of the fundamental concepts relating to ecosystem services and an analysis of attempts to integrate ecosystem services into LCIA. The review highlights both the relevance and the challenges of incorporating ecosystem services into LCIA. It identifies inconsistencies and a lack of conceptual clarity in several existing proposals and advocates for a more suitable LCIA framework for ecosystem services integration. In response, the second article introduces a revised LCIA framework built on the “cascade model” developed by the ecosystem services research community. This new framework reveals strong conceptual linkages between ES-related concepts and most existing LCIA models. To illustrate its comprehensiveness and applicability, all characterization models from the IMPACT World+ methodology are mapped onto this revised framework. On the basis of this new structure, models and CFs are being developed for two impact pathways. The third study of this thesis develops a model and associated characterization factors to assess the impacts of sea-level rise and the intensification of extreme events on coastal ES. The characterization factors are calculated as the ratio between (1) the loss of ecosystem service supply potential in coastal zones projected to be flooded between 2015 and 2100, and (2) the cumulative greenhouse gas emissions over the same period. Depending on the scenario, characterization factors values range from 16.7 to 66.1$/tCO2,eq, aligning with the social cost of carbon (estimated at 185$/tCO2,eq), thus validating their order of magnitude. Nevertheless, limitations are acknowledged, including the challenges of modeling the capacity of coastal ecosystems to adapt to flooding and of quantifying global ecosystem services demand. A second impact pathway of the revised framework explored in this thesis addresses the potential human health impacts from freshwater use and deprivation, expressed in DALYs/m3 consumed. Two articles are dedicated to this topic. The fourth article of this thesis revisits and consolidates a characterization model developed in 2011, updating its fate, exposure, and effect factors to produce a new set of characterization factors. However, the work reveals a significant limitation of the effect factor, which estimates health impacts due to water deprivation. Being global in scope, the effect factor does not account for disparities in water access within populations. To address this shortcoming, the fifth article proposes a new effect factor calculation method, based on the premise that health consequences of losing 1 m3 of water depend on the user’s typical daily consumption. By distinguishing user classes, new country-scale effect factors are developed and integrated with the updated characterization factors components, yielding a consolidated set of characterization factors. Despite these improvements, the empirical demonstration of the causal chain from water deprivation to health outcomes remains a key research need. The application of the revised LCIA framework across these two impact pathways demonstrates both its relevance and practical utility. However, the case study on sea-level rise also highlights a key limitation in operationalizing the framework: thecomplexity of modeling demand for ecosystem services. The proposed framework is designed to be flexible and adaptable to different causeeffect chains. Rather than offering strict guidelines, this work aims to provide a coherent and comprehensive structure for methodological developments, ultimately enabling the creation of meaningful indicators for decision support. However, it is important to emphasize that the selection of relevant impacts is inherently subjective; differing value systems can lead to the development of alternative frameworks. The revised LCIA framework proposed in this thesis serves as a conceptual tool for LCA modelers, supporting consistency and completeness in characterization models development. The characterization factors derived from it are intended for LCA practitioners, helping to generate more comprehensive and robust information for decision-making. More broadly, this work contributes to advancing and consolidating the field of LCIA.