Développement d'une méthode d'analyse du cycle de vie dynamique pour l'évaluation des impacts sur le réchauffement climatique

Le réchauffement climatique de nature anthropique est principalement causé par les émissions de gaz à effet de serre (GES) provenant des différentes activités humaines. Pour réduire l'impact de ces activités sur le climat, il faut être en mesure de quantifier les émissions de GES, ainsi que leur impact relatif sur le réchauffement climatique, afin d'identifier les sources principales et les solutions permettant d'atteindre les objectifs de réduction fixés. Pour ce faire, l'unité de mesure généralement utilisée est le GWP (« Global Warming Potential »), proposé par le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC), qui transforme les émissions des différents GES en kg CO2-eq. L'utilisation de plus en plus répandue du GWP et des méthodes de comptabilisation des émissions de GES a fait poindre certaines limites concernant les aspects temporels des émissions. En effet, le développement d'un nombre croissant de projets d'atténuation du réchauffement climatique par la foresterie a soulevé la question de l'impact de la séquestration et du stockage temporaire de carbone en forêt. De plus, de récentes méthodes de calcul pour l'empreinte carbone des produits visent à donner une valeur au stockage temporaire de carbone dans des objets issus de la biomasse pendant leur durée de vie. Finalement, certaines études ont démontré l'importance de la considération de la distribution temporelle des émissions de GES lors de l'évaluation de projets s'étendant sur de longues périodes de temps. Pour chacune de ces problématiques individuelles, des approches ont été proposées au cours des dernières années. Par contre, ces approches sont spécifiques à une situation ou à un problème donné. De plus, elles comportent généralement des lacunes. Par exemple, elles s'appliquent seulement aux émissions de CO2 et négligent les autres GES, elles donnent des résultats pour un horizon de temps fixe, etc. L'objectif principal de cette thèse est de développer une méthode d'analyse du cycle de vie (ACV) dynamique pour la catégorie d'impact du réchauffement climatique et de démontrer que cette méthode permet de pallier les lacunes des méthodes existantes concernant les aspects temporels des émissions de GES. La méthode développée doit donc permettre d'analyser l'impact de n'importe quel système de produits dans un cadre temporel cohérent, tout en considérant de façon rigoureuse le devenir atmosphérique de chacun des différents gaz à effet de serre. La première étape à réaliser pour l'obtention d'une ACV dynamique est de développer un inventaire du cycle de vie qui tient compte de la distribution temporelle des émissions. Pour ce faire, le cycle de vie est divisé en pas de temps d'une longueur d'une année et toutes les émissions d'un GES donné ayant lieu à une certaine année sont additionnées pour donner une matrice d'inventaire où chaque ligne représente un type de GES et chaque colonne, une année d'émission. Des facteurs de caractérisation dynamiques sont ensuite développés pour deux indicateurs du réchauffement climatique, soit 1) le forçage radiatif, tel qu'utilisé pour le calcul des GWP et 2) l'augmentation de la température atmosphérique. La méthode développée dans cette thèse permet donc de calculer l'impact de n'importe quel inventaire de GES sur le forçage radiatif et sur la température atmosphérique à tout moment t, en utilisant des facteurs de caractérisation qui sont fonction du temps écoulé entre chaque émission et le moment t. Comme elle utilise des facteurs de caractérisation qui sont fonction du moment de l'émission, l'ACV dynamique permet le calcul des impacts d'émissions de GES réparties dans le temps dans un cadre temporel cohérent. L'application de la méthode à une étude portant sur le remplacement des combustibles fossiles par des biocarburants tout en tenant compte des émissions dues au changement d'affectation des terres démontre que cette incohérence temporelle peut avoir un impact très significatif sur les résultats et sur les décisions qui en découlent. Par exemple, certains biocarburants pourraient être favorisés par une politique exigeant qu'ils atteignent un certain niveau de réduction de GES au bout d'une certaine période de temps si les résultats de l'approche traditionnelle sont utilisés, alors qu'ils seraient exclus suivant les résultats de l'ACV dynamique. Ces résultats démontrent aussi que l'ACV dynamique peut être appliquée à n'importe quel type de profil temporel ou de système de produits, contrairement à certaines approches existantes développées pour le cas particulier des biocarburants. Les résultats obtenus pour l'évaluation d'un projet de compensation d'une émission de GES par la foresterie démontrent que la séquestration d'une certaine quantité de carbone en forêt ne peut compenser entièrement, à court ou à moyen terme, l'impact causé par une émission initiale équivalente à cause du délai de séquestration et que l'ACV dynamique, en calculant l'impact en fonction du temps, permet d'analyser la sensibilité des résultats au choix d'un horizon temporel. Ces résultats démontrent aussi que l'utilisation unique du forçage radiatif cumulatif pour évaluer l'impact sur le réchauffement climatique n'est pas suffisante, puisque cet indicateur ne permet pas de tenir compte des impacts liés à l'augmentation absolue de température. L'utilisation des deux indicateurs, desquels peuvent découler des conclusions différentes, permet donc de prendre des décisions mieux informées, en se basant sur un éventail d'impacts plus grand. Finalement, la comparaison entre l'ACV dynamique et les méthodes existantes pour le calcul de l'empreinte carbone démontrent que la méthode développée dans cette thèse propose un calcul plus rigoureux et permet une analyse plus flexible des résultats. En effet, contrairement aux autres approches, l'ACV dynamique tient compte de la dynamique de séquestration du carbone dans la biomasse, considère le devenir atmosphérique spécifique à chaque GES par l'utilisation de facteurs de caractérisation dynamiques propres à chacun des gaz et ne nécessite pas la détermination d'un horizon temporel arbitraire avant le calcul. Le développement d'une méthodologie générale pour l'intégration des aspects temporels en analyse du cycle de vie est une première dans le domaine et apporte un certain nombre de défis. Différentes opportunités de recherche sont proposées afin d'améliorer la rigueur et la justesse des analyses effectuées à l'aide de cette méthode et d'étendre son application. • Le développement de facteurs de caractérisation dynamiques pour le réchauffement climatique variant avec la concentration atmosphérique en CO2; • La considération des impacts causés par les modifications de l'albedo lors d'un changement d'affectation des terres; • La modélisation des impacts sur le réchauffement climatique au niveau dommage; • Le développement de facteurs de caractérisation dynamiques pour d'autres catégories d'impacts; • Le développement d'une méthode pour l'opérationnalisation du calcul d'inventaire temporel; • L'adaptation des banques de données ACV à la temporalisation de l'inventaire; • Le développement des aspects prospectifs en ACV.

Abstract

Anthropogenic global warming is mainly caused by the greenhouse gas (GHG) emissions coming from human activities. In order to reduce their impact on the climate, GHG emissions must be quantified, as well as their relative impact on global warming, so that the main sources are identified and the right solutions are implemented to reach the reduction targets. The metric used to compare the different GHGs is the Global Warming Potential (GWP), proposed by the International Panel on Climate Change (IPCC), which converts GHG emissions into kg CO2-eq. The widespread use of GWP and GHG accounting methods has uncovered some limits regarding the temporal aspects of GHG emissions. The increasing number of climate mitigation projects has raised issues about the assessment of temporary carbon sequestration and storage in forests. Moreover, some recently published methods for carbon footprint calculation aim to give a value to temporary carbon storage in long-lived products made from biomass. Finally, some studies have shown the importance of considering the timing of GHG emissions while assessing the impacts of projects over long time frames. For each of these issues, some approaches are proposed in the scientific literature. However, each of these approaches has been developed for a specific situation, and some flaws have been identified. For instance, they can only be applied to CO2 emissions, they provide results for a fixed time horizon, etc. The main objective of this thesis is to develop a dynamic life cycle assessment (LCA) method for global warming and to show that this method alleviates the deficiencies identified in the existing approaches regarding the temporal aspects of GHG emissions. The dynamic LCA method must enable the assessment of any type of product system over a consistent time frame, while rigorously considering the specific atmospheric fate of each greenhouse gas. The first step in performing a dynamic LCA is to develop a life cycle inventory which considers the temporal profile of emissions. The life cycle is thus divided in one-year time steps, and all the emissions of a given GHG occurring on a given year are summed to get an inventory matrix for which each row stands for a particular GHG and each column, for the year of emission. Dynamic characterization factors are then developed for two different global warming indicators: 1) radiative forcing, as used in GWP, and 2) increase in atmospheric temperature. The method developed in this thesis aims to calculate the impact of any GHG inventory on radiative forcing and atmospheric temperature at any time t, using characterizations factors that depend on the time elapsed between each emission and time t. By using dynamic characterization factors that depend on the moment of emission, dynamic LCA calculates the global warming impact of GHG emissions over a consistent time frame. The use of dynamic LCA to assess the impact of the replacement of fossil fuels with biofuels while considering land-use change emissions shows that the temporal inconsistency has a very significant impact on LCA results, and on the decisions taken. For instance, some biofuels could be favored by regulations asking for a given GHG reduction over a specified time frame if using the traditional approach, while they would be rejected if using dynamic LCA. These results also show that dynamic LCA can be applied to any type of temporal profile or product system, in opposition to some existing approaches that have been developed for the particular case of biofuel assessment. The results provided by the assessment of a climate mitigation project through forestry with dynamic LCA show that the sequestration of a given amount of carbon in trees cannot fully compensate an equivalent emission, on a short- or a mid-term perspective, because of the sequestration delay, and that since it provides the time-dependent impact on global warming, the dynamic LCA approach allows analyzing the sensitivity of the results to the choice of a time horizon. These results also show that cumulative radiative forcing is not sufficient as a single global warming indicator, since it does not consider the impacts related to the absolute increase in temperature. Different conclusions can be drawn from the two different indicators, and the use of both of them would make decision making based on a wider range of climate change impacts. Finally, the comparison between dynamic LCA and the existing methods for carbon footprint calculation show that the method developed in this thesis provides more rigorous results and allows for a more flexible analysis. Unlike the other approaches, dynamic LCA takes into account the temporal profile of the sequestration of carbon in trees, it considers the specific atmospheric fate of every GHG with different characterization factors, and it does not require the determination of an arbitrary time horizon prior to the calculation. The integration of temporal aspects in life cycle assessment brings new challenges. Some future research opportunities are proposed in order to improve the validity and accuracy of the method, as well as to expand its use. • Development of dynamic characterization factors for global warming that takes into account the variations of the atmospheric CO2 concentration; • Consideration of the albedo effects caused by land-use change; • Damage modeling of the global warming impacts in life cycle assessment; • Development of dynamic characterization factors for other impact categories; • Development of a method for the calculation of temporal life cycle inventories; • Adaptation of the life cycle databases to the integration of temporal aspects in LCA; • Development of prospective LCA.