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Modélisation de l’apport des stratégies d’économie circulaire sur la mitigation des impacts environnementaux d’un secteur industriel et de sa chaine de valeur

Flavien Binet

Masters thesis (2021)

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Cite this document: Binet, F. (2021). Modélisation de l’apport des stratégies d’économie circulaire sur la mitigation des impacts environnementaux d’un secteur industriel et de sa chaine de valeur (Masters thesis, Polytechnique Montréal). Retrieved from https://publications.polymtl.ca/9970/
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Abstract

RÉSUMÉ : Les émissions industrielles de gaz à effet de serre (GES) ont longtemps été mises de côté et considérées comme difficiles à réduire (contrairement à celle du transport ou des bâtiments). Aujourd'hui, le secteur industriel représente 29% des émissions de GES du Québec, et des mesures de mitigation importantes sont attendues pour atteindre les objectifs du Québec de réduction des émissions de GES de 37,5% d'ici 2030 et de plus de 80% d'ici 2050 par rapport à l'année de référence 1990. Ce projet de recherche vise à évaluer le potentiel de réduction des émissions de GES des stratégies d'économie circulaire sur un secteur industriel et de sa chaîne de valeur. Plus particulièrement les secteurs du fer et de l’acier et du ciment et du béton au Québec ont fait l’objet de cas d’étude dans ce mémoire. Pour ce faire, un modèle intégrant l'analyse des flux de matières (AFM) et l'analyse du cycle de vie (ACV) a été créé pour analyser les flux et les stocks de matière et respectivement pour calculer les émissions directes (de l'activité, par exemple le processus de combustion) et indirectes (de la chaîne d'approvisionnement). Ce modèle est conçu pour être appliqué à toutes les émissions ou impacts environnementaux d'un secteur spécifique dans une région donnée, et permet de modéliser les effets des stratégies de circularité sur les flux et les impacts environnementaux associés à toute sa chaîne de valeur. Ce modèle est appliqué à deux études de cas : l'une sur le secteur du fer et de l'acier et l'autre sur le secteur du ciment et du béton. Un ensemble de stratégies circulaires ont été identifiées et le potentiel de réduction des GES tout au long des respectives chaînes de valeurs à l'intérieur et à l'extérieur de la province est calculé et comparé aux émissions de la situation actuelle. Pour le secteur du fer et de l'acier, six stratégies circulaires ont été analysées en agissant sur trois leviers différents : GES/matériau, c’est-à-dire émettre moins de GES pour la même quantité d’acier produite (augmenter le taux de recyclage du fer, passer à la production d’acier par réduction à base d'hydrogène), matériau/produit, c’est-à-dire utiliser moins d’acier pour le même produit (réduire le poids des véhicules, limiter les surspécifications dans la construction des bâtiments), produit/service, c’est-à-dire utiliser moins de produit pour le même service (augmenter la durée de vie des bâtiments et des voitures, augmenter le covoiturage). La combinaison de ces six stratégies permet de réduire les émissions de GES de la chaîne de valeur de l'industrie sidérurgique de -6,03 MtCO2e, soit -30% de l'ensemble du cycle de vie. Sans tenir compte de la phase d'utilisation de l'acier, les réductions sont estimées à -55 %, soit 1,67 Mt CO2e (partie extraction, transformation, production, fabrication). La deuxième étude de cas qui s'est concentrée sur le secteur du ciment et du béton au Québec a identifié le principal point chaud d'émission de GES dans la production de clinker. Le scénario combinant les stratégies circulaires de modification de la composition du clinker, de réduction de la consommation d'énergie et d’utilisation des déchets comme combustible, estime le potentiel de réduction des émissions de GES à 1,29 MtCO2e soit 49 % des GES émis sur l’ensemble du cycle de vie. La réduction dans la production de clinker est de 1,27 MtCO2, soit 57 % des émissions de GES de cette phase du cycle de vie. Avec cette recherche, nous avons montré la nécessité de réfléchir à des stratégies d'économie circulaire sur l’ensemble de la chaîne de valeur d’un secteur industriel, car se restreindre aux activités de production uniquement, peut cacher des stratégies avec de meilleurs potentiels pour atteindre l'objectif de réduction des GES. Les études de cas de ce mémoire ont démontré que les mesures de mitigation plus efficaces doivent être soutenues par des stratégies visant à réduire l'utilisation de matériaux par service livré.----------ABSTRAT : Industrial Greenhouse Gas (GHG) emissions have long been discarded and considered hard to reduce (unlike the transport or construction sectors). Today industrial sector represents 29% of Quebec GHG emissions, which needs to be tackled in order to meet Quebec’s objectives of a 37,5% reduction by 2030 and an 80% reduction by 2050 as per 1990’s GHG reference year. This research project aims to evaluate the potential reduction of GHG emissions from circular economy strategies on Quebec industrial sectors with an application to Quebec’s steel industry and its value chain. To do so, an integrated model has been created based on the matrix approach, building on material flow analysis (MFA) tracking flows and stocks and on life cycle assessment (LCA) to compute direct (from the activity, e.g. combustion process) and indirect (from supply chain, e.g. production of raw material inside or outside of region) emissions. This theoretical model is designed to be applied to any emissions or environmental impacts from a specific sector in a given region, and enable to model the effects of circularity strategies to both flows and related environmental impacts. The overall mitigation potential of individual or combined circular economy strategies on a specific sector could thus be evaluated across its entire value chain. Two case studies illustrate this new model: one on the iron and steel sector and the other on the cement and concrete sector. In the case studies, a set of the most promising circular strategies applicable in the Quebec context were identified and the GHG reduction potential within and outside the province is calculated and compared to actual emissions. For the iron and steel sector, six circular strategies were analyzed acting at three different levers: GHG/material (increase iron recycling rate, switch to hydrogen-based reduction production), material/product (reduce weight of vehicle, limit overspecification in building construction), product/service (increase buildings and cars lifetime, increase car-sharing) and therefore impact rather direct or indirect emissions on different stages of the steel life cycle. Combining these six strategies into a consolidated scenario shows that a circular driven economy allows to cut down GHG emissions of the cradle-to-gate steel industry value chain by -55%, i.e., 1.67 Mt CO2e. Taking into account use phase of steel, overall reductions are estimated at -6.03 MtCO2e, i.e., -30% of the whole life cycle. A second case study was conducted to confirm the validity and robustness of the model, as well as to highlight some limitations and areas for improvement. This study focused on the cement and concrete sector in Quebec. The main GHG emission hotspot identified in the sector modeling was the production of clinker. Using circular strategies (modification of clinker composition, reduction of energy consumption and use of waste as fuel), the potential for GHG emission reductions is 49%, with a 57% GHG emission reduction in clinker production. With this research we showed that circular economy strategies acting solely on the production activities are not enough to achieve Quebec’s GHG reduction goal at the 2050 horizon. They need to be supported by strategies aiming to reduce material use per delivered service.

Open Access document in PolyPublie
Department: Département de mathématiques et de génie industriel
Academic/Research Directors: Manuele Margni and François Saunier
Date Deposited: 27 Apr 2022 08:09
Last Modified: 27 Apr 2022 08:09
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/9970/

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