Développement d'une méthode d'analyse du cycle de vie prospective appliquée à la sidérurgie

La sidérurgie est aujourd'hui l'un des plus gros émetteurs de gaz à effet de serre (GES) dans le secteur industriel. L'acier étant un matériau omniprésent dans notre société et en production croissante, des solutions doivent être trouvées pour lutter contre cette pollution et pour se préparer aux futures règlementations dans ce domaine. Ce projet de maitrise s'intéresse à l'évaluation de la performance environnementale de plusieurs technologies de production d'acier, que ce soit les filières traditionnelles ou des filières actuellement en développement. Dans cette optique, la méthode utilisée est l'analyse du cycle de vie (ACV), qui permet dévaluer les impacts potentiels d'un produit sur l'ensemble de son cycle de vie. Néanmoins, la plupart des technologies à l'étude sont en cours de développement et elles ne seront implantées à l'échelle industrielle que dans les années ou décennies à venir. L'influence du temps sur les résultats doit donc indispensablement être prise en considération dans cette analyse. C'est pourquoi une approche particulière de la méthodologie d'ACV est utilisée : l'analyse du cycle de vie prospective (ACV-P). L'objectif de ce projet est de développer une approche d'analyse du cycle de vie prospective applicable à l'industrie sidérurgique. Pour ce faire, une méthodologie novatrice est proposée en intégrant une méthode permettant de pallier une lacune identifiée dans la littérature : l'influence des changements technologiques sur les données d'inventaire. L'approche proposée utilise des projections de politiques environnementales pour modifier les données d'inventaire. Cette intégration de l'effet de futures règlementations est appliquée aux données d'inventaire grâce à l'utilisation de facteurs de réduction dépendant de l'horizon de temps choisi. Pour tester la méthodologie développée, le cas d'étude du projet ULCOS (Ultra-Low Carbon dioxyde Steelmaking), proposant des filières innovantes de production d'acier, a été choisi et ces différentes étapes lui sont appliquées. Dans un premier temps, une analyse du cycle de vie attributionnelle a été effectuée pour identifier les parties du système concernées par un éventuel développement prospectif. Elle a aussi permis de comparer les impacts potentiels des différentes technologies en se basant sur les données actuelles leur étant associées. Les résultats de cette analyse préliminaire montrent que les nouvelles technologies étudiées ont un plus faible impact sur le changement climatique que la filière traditionnelle par haut fourneau, utilisée comme référence. Pour les autres catégories d'impacts étudiées (à savoir l'acidification, l'eutrophisation, la création d'ozone photochimique et l'utilisation des ressources abiotiques), les conclusions sont plus mitigées. En effet, dans ces catégories, certaines filières présentent parfois des impacts supérieurs à ceux de la filière de référence. Il est donc essentiel de prendre en considération cet aspect avant leur future implémentation afin d'éviter un déplacement d'impacts. Par la suite, les développements prospectifs de cette étude initiale sont effectués. Dans cette étude prospective, deux visions du futur sont comparées : une première « business as usual » et une seconde plus stricte en matière d'émissions de GES. Dans un premier temps, l'analyse porte sur l'évolution temporelle des hypothèses liées à l'électricité et au transport. L'influence de la variation temporelle du mix électrique est en particulier mise en évidence. Dans un second temps, l'impact des futures politiques environnementales sur l'inventaire est développé. Ce facteur a une influence prédominante sur les résultats. Pour synthétiser cette étude, les différents aspects prospectifs sont appliqués simultanément à l'inventaire et les filières de production d'acier sont comparées à l'horizon 2050. Pour les deux scénarios étudiés, les impacts associés à chaque technologie diminuent avec le temps sur la période considérée (2000-2050). En 2050, selon les filières et les scénarios, les impacts potentiels diminuent par exemple entre 15% et 86% dans la catégorie changement climatique et entre 74% et 89% pour l'acidification, par rapport aux résultats initiaux ne considérant pas ces aspects prospectifs. Les résultats de l'étude sont donc influencés de manière importante par l'approche prospective. Les impacts associés à la sidérurgie européenne dans son ensemble ont aussi été modélisés à partir des résultats calculés pour chaque filière actuelle ou future de production d'acier. Ils montrent qu'une réduction d'un facteur 50% des émissions de GES associées à la production d'acier est possible grâce au développement de nouvelles technologies. Les impacts dans les autres catégories considérées devraient aussi diminuer en parallèle. Même si ce travail a été mis en place dans le cas particulier de notre étude, la méthodologie proposée est adaptable et généralisable à d'autres analyses. Son application a néanmoins soulevé certaines limites et, par conséquent, plusieurs recommandations ont été formulées pour améliorer la méthode, dont les principales sont les suivantes : • Affiner les facteurs de réduction avec par exemple une régionalisation des objectifs de réduction; • Étendre la méthodologie à toutes les substances de l'inventaire et aux données sur les entrants dans les processus; • Paramétrer la méthode dans des bases de données pour faciliter son utilisation et améliorer sa précision.

Abstract

The steel industry is currently one of the most important industrial greenhouse gas (GHG) emitters in the world. Since the demand for steel is continuously increasing due to all potential applications in our everyday lives, we have to find solutions to tackle environmental issues and to get prepared for forthcoming regulations in this field. This master thesis focuses on the assessment of the environmental performance of different existing and developing steel production technologies. In order to reach this purpose, the life cycle assessment (LCA) methodology has been chosen, which allows evaluating the potential impacts of a product through its different life cycle stages. Nevertheless, most of the studied technologies are currently in development and will only be implemented at the industrial scale in years or decades. The influence of time on the results becomes critical in this study and has therefore to be considered. This is why a special declination of the LCA methodology is used: the prospective life cycle assessment approach. The aim of this master thesis is to develop a prospective life cycle assessment approach for the steel industry. To achieve this goal, an innovative method is developed to integrate the influence of technological changes on inventory data. The proposed approach uses projected environmental policies to predict future emissions. The integration of the effect of future regulations on inventory data is done using time-dependent reduction factors. The applicability of this methodology is tested on a case study specific to the steel industry, the ULCOS (Ultra-Low Carbon dioxyde Steelmaking) programme. An attributional life cycle assessment is first carried out in order to identify which parts of the system should be involved in a prospective development. This LCA also enables to compare the potential impacts of different technologies using current data. The results of this preliminary assessment indicate that the new technologies studied have a lower potential impact on climate change compared to the traditional blast furnace production chain, used as the reference technology. Regarding other impact categories (namely acidification, eutrophication, photochemical ozone creation potential, and depletion of abiotic resources), conclusions are mixed. Some technologies have indeed higher impacts for some categories compared to the reference technology. This has to be kept in mind before future implementation of these technologies in order to prevent shifting of impacts. Subsequently, prospective developments of this study are carried out. In this prospective study, two potential perspectives of the future are compared: a “business as usual” scenario and a scenario in which GHG emissions are more strictly regulated. This part of the assessment focuses at first on the future evolution of some assumptions related to electricity sources and transportation. The influence of variations in electricity sources is particularly important. The influence of future environmental policies on inventory data is then developed. It is shown to have a major impact on the results. Finally, the different prospective aspects are simultaneously applied to the case study, and the steel production technologies are compared for the year 2050. For these two scenarios, impacts associated to each technology decrease with time over the period considered (2000-2050). Depending on both technologies and scenarios, potential impacts decrease for instance in 2050 between 15% and 86% for climate change and between 74% and 89% for acidification, compared to initial results without prospective aspects. Therefore, the results of the study are greatly influenced by the prospective approach. Impacts of the whole European steel industry are also modeled using the results obtained for each current and future steel production technology. These results show that a GHG emission reduction of 50% associated to steel production is possible through the development of new technologies. Impacts in other categories would also decrease. The work presented in this master thesis was carried out for our specific case study. However, the methodology developed is easily adaptable and could be applied and extended to other types of assessment. Nevertheless, its application has highlighted some limits and several recommendations have been addressed in order to improve the approach: • To refine reduction factors with for instance a regionalisation of reduction objectives; • To extend the methodology to all the substances of the inventory and to process input data; • To implement the methodology into databases in order to facilitate its use and to improve precision.