Les services de distribution d’eau utilisent différentes ressources (eaux de surface et eaux souterraines), y compris une utilisation accrue de ressources alternatives (eau dessalée, eau réutilisée, transferts d'eau entre bassins) pour alimenter les différents utilisateurs (domestiques, agricoles, industriels, etc.). La combinaison de ces ressources en eau avec des technologies (incluant infrastructures, fonctionnement et énergie) donne lieu à une combinaison régionale d'approvisionnement en eau (WSmix) pour chaque utilisation spécifique. Actuellement, les bases de données existantes d'inventaire du cycle de vie (ICV) utilisées en Analyse du Cycle de Vie (ACV) ne proposent pas ce type de données relative aux WSmix régionalisées pour modéliser des processus. Ceci conduit à une représentation médiocre des systèmes d'approvisionnement en eau et des impacts environnementaux associés. Pour combler cette lacune, cette thèse développe (i) un cadre conceptuel cohérent de mix d'approvisionnement en eau (WSmix) pour la mise en oeuvre en ACV, (ii) une base de données opérationnelle incluant le mix de ressource en eau pour différents utilisateurs à l'échelle mondiale adossée à une matrice dite « technologique » associant chaque ressource à des technologies de production d'eau. Afin de tester en ACV l'opérationnalisation et l'applicabilité du mix WSmix à l'échelle mondiale et pour différents utilisateurs, le concept de WSmix est appliqué à deux exemples contrastés: un service (fourniture d’un m3 d’eau publique à la porte de l’utilisateur) et un produit global (production d’un kg maïs). Enfin, pour évaluer dans quelle mesure le WSmix sera affecté par les changements climatiques et socio-économiques, cette thèse propose le développement d'un WSmix Prospectif (P-WSmix) pour une mise en oeuvre pratique dans les études d'ACV et d'empreinte sur l'eau. / Water utilities draw different water sources (surface and groundwater), including increased use of alternative sources (e.g. desalinated water, reused water, inter-basin water transfers) to supply freshwater to different users (domestic, agriculture, etc.). The combination of water sources and technologies (including infrastructures and energy) results in a regional water supply mix (WSmix) for each specific use. Existing Life Cycle Inventory (LCI) databases used in Life Cycle Assessment (LCA), do not include these mixes when modelling processes, leading to a poor representation of water supply systems and related environmental impacts. To fill this gap, this thesis developes 1) consistent water supply mix (WSmix) model for implementation in LCA, 2) a first database of water source mixes for different users at a global scale and a technological matrix linking water sources to water production technologies in order to operationalize the practical implementation of the WSmix in LCA studies. In order to test the operationalization and applicability of the WSmix at worldwide scale and for different users, this theseis also describes the operationalization and application of the WSmix for two different water users worldwide with two different approaches: providing a generic service (public water supply) and producing a global product (maize production). Finally, to evaluate to what extent the WSmix will be affected by climate and socio-economic changes in the future, this thesis describes the development of a Prospective WSmix (P-WSmix) for practical implementation in LCA and water footprint studies.

Le secteur du bâtiment participe à hauteur de plus de 50% de la consommation d’énergie à l’échelle mondiale. Cette consommation ne cesse d’augmenter depuis ces trente dernières années. L’impact environnemental de la consommation d’énergie au niveau de ce secteur est en évolution permanente malgré les recommandations prises durant les COP. Ces constatations sont valables pour la France métropolitaine et aussi pour le cas de Madagascar. Au-delà de la maitrise de la consommation d’énergie, en phase de fonctionnement d’un espace bâti, nous devons également prendre en compte les impacts environnementaux de la phase de construction notamment en ce qui concerne les indicateurs de changement climatique, des maitrises de ressources et de la pollution. Cette thèse s’articule autour de trois concepts. En premier lieu, il s’agit de l’analyse des flux matière autour de leurs caractéristiques techniques et de leurs impacts environnementaux et économiques lors de la construction de l’espace bâti. Dans un second temps, notre analyse se focalise sur l’analyse de flux d’énergie en vue de connaitre la signature énergétique et environnementale du fonctionnement de l’espace bâti et de la mise en œuvre d’un fichier horaire traduisant les caractéristiques de la consommation d’énergie (Profil de consommation journalier et annuel). En dernier lieu, nous abordons également la problématique du pilotage de la distribution de l’énergie électrique dans un espace bâti en vue de dimensionner un système de production d’EnR et un système de stockage et de lisser la courbe de consommation au niveau du réseau de distribution. / The building sector accounts for more than 50% of global energy consumption. This consumption has been increasing steadily over the last thirty years. The environmental impact of energy consumption in this sector is constantly changing despite the recommendations made during the COPs. These findings are valid for metropolitan France and also for Madagascar. Beyond the control of energy consumption, during the operating phase of a built space, we must also take into account the environmental impacts of the construction phase, particularly with regard to climate change indicators, resource management and pollution. This thesis is based on three concepts. First, it is about the analysis of material flows around their technical characteristics and their environmental and economic impacts during the construction of the built space. In a second step, our analysis focuses on the analysis of energy flows in order to know the energy and environmental signature of the functioning of the built space and the implementation of a time file reflecting the characteristics of energy consumption (Daily and annual consumption profile). Finally, we also discuss the problem of managing the distribution of electrical energy in a built-up area in order to size an renewable energy production system and a storage system and to smooth the consumption curve at the level of the distribution network.

L'impact environnemental d'un procédé est déterminé par des méthodes d'évaluation comme l'analyse de cycle de vie (ACV). Une méthode complémentaire a été développée afin de caractériser l'impact environnemental d'un procédé lors de la phase de dimensionnement, en lui appliquant un bilan thermodynamique restreint à ses frontières avec une fonction ad hoc. La fonction choisie, l'exergie, est basée sur l'état physico-chimique de l'environnement et quantifie l'irréversibilité d'une transformation. L'existence d'irréversibilités dans un procédé signifie qu'une partie de l'énergie fournie est dégradée augmentant simultanément les émissions polluantes. L'intérêt de l'exergie réside également dans l'allocation des coproduits. L'étude se focalise sur l'impact changement climatique dû aux émissions de gaz à effet de serre (GES). Cette méthode couplant ACV et analyse exergétique a été appliquée à un procédé représentatif du raffinage du pétrole: le reformage catalytique du naphta. Les émissions de GES y sont d'origine directe (régénération du catalyseur) et indirecte (utilités). Le procédé et les réacteurs ont été modélisés respectivement avec le simulateur de procédés ProII et avec un sous-programme codé en langage Fortran interfacé avec le simulateur pour tenir compte des transformations chimiques. La méthodologie, qui ne peut s'affranchir de données ACV, a permis de lier, pour le procédé, les émissions de GES respectivement à un indicateur thermodynamique Ip et à la variation d'exergie chimique. La méthode a été étendue pour comparer deux procédés ayant une même fonction en quantifiant, notamment, la qualité des produits formés et l'appauvrissement des ressources / The environmental impact of a process is assessed by evaluation methods such as life cycle assessment (LCA). A complementary method has been developed in order to characterize the environmental impact at the preliminary design stage by application of a thermodynamic balance on the process boundaries. The chosen thermodynamic function is exergy which takes into account irreversibilities and is linked to the mean environment temperature, pressure and composition. Existence of irreversibility in a process means that a part of the provided energy is wasted increasing simultaneously pollutant emissions. Exergy is also a tool for co-products allocation. The study focuses on climate change that implies greenhouse gas (GHG) emissions. To illustrate the potential of coupling LCA and exergy analysis in the petroleum industry, a naphtha catalytic reforming process has been selected and evaluated in terms of climate change. In this process, GHG emissions have two origins: direct (due to catalyst regeneration) and indirect (due to utilities) emissions. The process and the reactors have been respectively modelled with the process simulator ProII and with a Fortran subroutine to take into account chemical transformations. The method, which cannot avoid LCA data, has underlined, for the process, a positive relationship between GHG emissions and respectively a thermodynamic parameter Ip and the variation of chemical exergy. The method has been extended to compare two processes having the same function and to take into account co-products quality and resource depletion

Cette thèse s’inscrit dans une volonté de développer un procédé de synthèse de phyllominéraux de type talc en continu et en utilisant la technologie supercritique (plus spécifiquement utilisant l’eau comme solvant) afin d’avoir des temps de synthèses compatibles avec le milieu industriel (très courts) : une dizaine de secondes seulement. Cette voie innovante offre la possibilité d'obtenir un talc synthétique présentant des propriétés uniques telles qu’une haute pureté minéralogique et chimique, une grande surface spécifique(plusieurs centaines de m²/g) et un caractère hydrophile (gel de talc synthétique stable) qui a ainsi conduit à la formulation du premier minéral de talc liquide (son homologue naturel étant hydrophobe). De plus, il a été mis en place un procédé de séchage de ce minéral liquide par CO2 supercritique permettant l’obtention d’un solide de très haute surface spécifique et facilement réhydratable. Ce procédé a permis également la fonctionnalisation du talc synthétique élargissant ainsi les domaines d’applications de ce nouveau minéral liquide. La voie supercritique semble être la voie privilégiée pour un développement à l’échelle industrielle de la fabrication de particules minérales synthétiques (phyllosilicatées, silicatées et autres) en milieu aqueux. Une étude sur l’impact environnemental de ce nouveau procédé a été réalisée afin d’identifier les pistes d’optimisation possibles pour que cette voie soit la plus durable possible. / This thesis project was carried out to develop a continuous process for supercritical fluid synthesis of phyllominerals (especially using water as solvent) to fit synthesis time with industrial requirements: about ten seconds only. This innovative route provides synthetic talc with properties such as high mineralogical and chemical purity, large surface area (several hundred m²/g) and hydrophilic nature resulting in the formulation of the first liquid talc mineral (its natural counterpart being hydrophobic). Moreover, supercritical CO2 drying process implementation allows the obtention of very high specific surface area solid material easily rehydratable to prepare stable synthetic talc gel. This process allows synthetic talc functionalization, thus widening the fields of application for this new liquid mineral. Supercritical route appears as the optimal route to develop industrial scale mineral synthesis preparation (phyllosilicates, silicates and others). Environmental impact study of this new process further identifies possible optimization trails to make this route as sustainable as possible.

Dans un contexte où les tensions liées aux ressources énergétiques fossiles sont de plus en plus vives, concevoir une nouvelle manière d'appréhender le contexte énergétique est devenu essentiel. Les moyens de production et de consommation énergétiques habituels ont montré leur limite avec l'apparition de nouveau type de pollution pour différents secteurs. Dans ce rapport de thèse, nous nous sommes essentiellement axés sur le secteur de l'électricité en proposant un outil, d'aide à la décision, pour simuler la consommation électrique ainsi que la production électrique à partir des énergies renouvelables (EnR). La simulation de la consommation électrique permet d'avoir des informations à différents échelles d'observation en s'appuyant sur une démarche systémique et typologique, qui permet de calculer le bilan carbone associé à cette consommation ainsi que son coût annuel. Par la suite, cette consommation a été analysée à l'échelle horaire afin de pouvoir là mettre en relation avec des fichiers de production pour effectuer un pilotage au niveau de la courbe de charge. Ce pilotage a pour but de lisser les pics au niveau de la courbe de charge. Les premiers résultats analytiques obtenus à l'aide des outils développés montrent qu'il est possible de réduire l'appel au réseau électrique normal à un certain niveau en fonction des dimensionnements des systèmes de production EnR et du stockage. Ainsi que de pouvoir limité les coûts d'investissement au juste nécessaire, c'est-à-dire avoir un prix le moins cher possible, grâce à une optimisation du système EnR. / In a context where the tensions linked to fossil energy resources are increasing, design a new way of understanding the energy context has become essential. The usual means of energy production and consumption have shown their limit with the appearance of new types of pollution for different sectors. In this thesis, we mainly focused on the electricity sector by proposing a tool to simulate electricity consumption and electricity production from renewable energies (RES). Simulation of electricity consumption allows having information on different observation scales based on a systemic and typological approach, according to which the associated carbon footprint to this consumption is being calculated as well as its annual cost. Subsequently, this consumption was analyzed at the hourly scale, which is to relate it to the production files in order to control the load curve. This control aims to smooth down the peaks of the load curve. The first analytical results, obtained by using the developed tools, show that it is possible to reduce the use of the normal electrical network to a certain level according to the dimensions of the RES production systems and storage.

La généralisation planifiée du Bâtiment à Énergie POSitive est un enjeu important de développement durable, notamment dans une vision à long terme. Cependant, concevoir de tels bâtiments à moindre impact environnemental et à des coûts maîtrisés pour le marché constitue une problématique complexe pour les professionnels du secteur. Ces travaux de thèse se sont ainsi intéressés au développement d’une méthodologie permettant de fournir une aide à la décision opérationnelle et robuste pour l’écoconception de maisons à énergie positive (MEPOS). Basée sur l’optimisation multicritère (via un algorithme génétique), la démarche proposée associe au sein d’une plateforme multi-outils, simulation thermique dynamique, analyse de cycle de vie, et fonctions de coût de construction, pour identifier, sur une base multicritère (front de Pareto) et sur le cycle de vie, des concepts de MEPOS performantes et fournir au décideur une description des meilleurs compromis. Également intégrées dans la plateforme, des méthodes d’analyses de sensibilité et d’incertitude offrent la possibilité de sélectionner les variables de conception les plus influentes en amont de l’optimisation, et d’évaluer le risque de non-robustesse d’une décision en aval de l’optimisation, notamment au regard des incertitudes sur le comportement des occupants (avec un modèle stochastique d’occupation), et de l’évolution prévisible du climat jusqu’à la fin du siècle. Via une collaboration avec un constructeur, la méthodologie a été appliquée en temps réel au sein d’un processus de conception intégrée d’une MEPOS. / The planned generalisation of Plus Energy Buildings constitutes an important topic for sustainable development, especially in a long term vision. However, designing such buildings at lower environmental impact and with competitive cost for the market constitutes a complex issue for the sector’s professionals. This thesis focused on the development of a methodology providing an operational and robust decision support to eco-design plus-energy houses. Based on multi-criteria optimisation (via a genetic algorithm), the proposed approach combines in a multi-tools platform, dynamic building energy simulation, life cycle assessment, and cost construction functions, in order to identify, on a multi-criteria (Pareto front) and life cycle basis, efficient plus-energy houses concepts and to provide decision maker a description of the best compromises. Also included in the platform, sensitivity and uncertainty analysis methods offer the possibility to select the most influent design variables before optimisation, and to evaluate the non-robustness risk of a decision after optimisation, especially regarding uncertainties on occupants’ behaviour (with a stochastic model of occupancy) and climate’s predictable evolution up to the end of the century. Via collaboration with a constructor, the methodology was applied in real-time throughout a integrated design process of a plus-energy house.

Des outils adaptés pour s’attaquer aux problématiques environnementales sont nécessaires mais malheureusement absents de l’industrie. En effet, l’introduction de nouvelles pratiques d’écoconception dans l’industrie des procédés est entravée par le manque de réalisme et de flexibilité des outils associés. Les objectifs principaux de ce travail de recherche étaient le développement d’un outil intégré pour la modélisation de procédés et l’analyse de cycle de vie (PM-LCA), ainsi que la formulation d’une approche méthodologique affiliée pour l’écoconception de procédés. L’outil logiciel et l’approche méthodologique sont appliqués à la production d’eau potable.La revue de la littérature scientifique a permis d’appréhender les efforts de recherche nécessaires. Les principales lignes directrices sont établies en conséquence.L’outil développé, nommé EVALEAU, consiste en une bibliothèque logicielle de modèles de procédés unitaires permettant le calcul d’inventaire de données en fonction de paramètres de procédés. L’outil est embarqué dans le logiciel ACV Umberto® en complément de la base de données Ecoinvent. Uneboîte à outils pour l’analyse de sensibilité, basée sur la méthode de Morris, est implémentée pour l’identification des paramètres de procédés ayant une influence majeure sur les résultats d’impacts environnementaux.L’outil EVALEAU est testé sur deux études de cas - deux usines de production d’eau potable existantes. La fiabilité de l’approche est démontrée à travers la comparaison des calculs de qualité de l’eau, de consommations d’énergie et de matériaux avec les données réelles recueillies sur site. Une procédure d’écoconception est expérimentée sur une chaîne de traitement complexe démontrant ainsi la pertinence des résultats de simulations et l’utilité de l’analyse de sensibilité pour un choix optimal des paramètres opératoires. En conséquence, ce premier outil PM-LCA est censé promouvoir l’introduction de pratiques d’écoconception dans l’industrie de l’eau / Adapted tools for tackling environmental issues are necessary but they are still missing in industry. Indeed, the introduction of ecodesign practices in the process industry is hindered by the lack of realism and flexibility of related tools.The main objectives of this research work were the development of a fully integrated tool for Process Modelling & Life Cycle Assessment (PM-LCA), and the formulation of an affiliated methodological approach for process ecodesign. The software tool and the methodological approach are meant to be applied to water treatment technologies.The literature review leads to a better comprehension of the required research efforts. The main guidelines for the development of the software tool are stated accordingly.The developed tool, named EVALEAU, consists in a library of unit process models allowing life cycleinventory calculation in function of process parameters. The tool is embedded in Umberto® LCA software and is complementary to Ecoinvent database. A sensitivity analysis toolbox, based on theMorris method, was included for the identification of the process parameters mainly affecting the lifecycle impact assessment results.EVALEAU tool was tested through two case studies - two existing drinking water plants. There liability of the modelling approach was demonstrated through water quality simulation, energy and materials inventory simulation, compared with site real data. An ecodesign procedure was experienced on a complex water treatment chain, demonstrating the relevance of simulation results and the usefulness of sensitivity analysis for an optimal choice of operation parameters.This first developed PM-LCA tool is dedicated to foster the introduction of ecodesign practices in the water industry

A l'issue d'une revue de la littérature, cette thèse pose la question de l'évolution de la comptabilité sociale au sens large (ou comptabilité sociétale), comme relevant d'une opposition entre deux approches : l'une prônant l'intégration à la comptabilité générale, l'autre préconisant au contraire un développement autonome et séparé. Cette recherche s'inscrit dans le cadre de la théorie des parties prenantes, qui reconnaît la légitimité des acteurs de l'environnement socio-économique à exiger que les entreprises fournissent des informations sur l'utilisation qu'elles font des ressources mises à leur disposition par la collectivité. Le point qui oppose les deux approches de la comptabilité sociale porte sur la capacité des informations monétaires à offrir une traduction fidèle des impacts sociaux (ou sociétaux) d'une activité économique. Le terrain de recherche porte sur un travail d'évaluation des coûts externes environnementaux d'un procédé industriel de transformation, réalisé pour le compte d'une grande entreprise. Il a impliqué la traduction monétaire des effets liés aux flux physiques du procédé étudié. C'est en cela qu'il est pertinent pour le point qui oppose les deux approches susmentionnées et pour apporter une orientation tranchée sur celle à privilégier. La thèse analyse deux éléments clefs pour la compréhension du terrain de recherche : la comptabilité environnementale, branche spécialisée de la comptabilité sociale et la notion de coût externe, issue de la théorie économique néoclassique. Nous présentons ensuite le dispositif expérimental. Les coûts externes environnementaux liés aux flux physiques d'un procédé industriel sont exprimés par unité de produit selon trois méthodes différentes, et trois hypothèses de calcul pour chaque méthode (basse, médiane, haute). Le faible nombre de flux traduits monétairement, la grande amplitude des résultats possibles et l'absence de cadre de calcul normalisé constituent les résultats majeurs de ce travail de terrain. Ils nous conduisent à juger non scientifiquement fondée toute décision de gestion s'appuyant sur l'utilisation de données monétaires à des fins d'évaluation et de comparaison des impacts environnementaux et à juger plus prometteuse l'approche qui consiste à laisser se développer différentes formes de comptabilité sociale, indépendantes de la comptabilité générale. A partir de cette conclusion, la thèse propose un modèle comptable élargi positionnant différentes formes de comptabilité les unes par rapport aux autres. Elle esquisse ensuite les perspectives de recherche propres à ce modèle.

Dans un contexte de raréfaction des ressources et de limitation des capacités d'adaptation de l'environnement, la minimisation des impacts environnementaux de l'activité humaine représente un des objectifs majeurs du développement durable. Proposer des dispositifs présentant de meilleures performances environnementales nécessite une démarche de conception spécifique intégrant des critères environnementaux crédibles. Il s'agit en effet d'agir dès la conception d'un produit (ou d'un service) afin de bénéficier du maximum de latitude pour minimiser ses impacts environnementaux. Cette démarche se nomme l'éco-conception. Rejoignant cette thématique, ces travaux ciblent des applications du domaine du Génie Electrique et plus particulièrement celui des convertisseurs électromagnétiques d'énergie. Ces composants présentent la particularité d'être fondamentalement, à l'usage, consommateurs d'énergie. Cet aspect implique un fort couplage entre le mode de fonctionnement du dispositif et son dimensionnement sur son cycle de vie. Ce travail de thèse aborde dans une première partie l'analyse sur cycle de vie ainsi que les principes fondamentaux de la démarche d'éco-conception. Les perspectives méthodologiques que ces considérations ouvrent dans le domaine plus spécifique du Génie Electrique sont ensuite décrites. Dans une seconde partie, trois cas d'étude en Génie Electrique de complexité croissante, font l'objet d'applications des principes d'éco-conception : un transformateur monophasé simplifié à alimentation fixe, une machine asynchrone monophasée à condensateur permanent réelle (produit commercial) et présentant des durées de fonctionnement très brèves, et enfin une machine asynchrone triphasée alimentée à fréquence variable. Les critères environnementaux retenus pour les optimisations sont l'énergie globale sur cycle de vie et les émissions de gaz à effet de serre. En effet, la prise en compte d'autres impacts environnementaux est identique du point de vue méthodologique. Lors de ces études, nous montrons qu'il est intéressant d'optimiser la conception de ces convertisseurs électromagnétiques sur cycle de vie, lorsque leur durée cumulée de fonctionnement est faible devant leur durée d'usage. Le niveau de puissance de fonctionnement des convertisseurs est aussi un paramètre ayant une action significative sur les résultats d'éco-conception. Le paramétrage des trois cas d'études fait par ailleurs l'objet de différentes analyses de sensibilité permettant de cerner plus précisément, sur les résultats d'optimisation, l'influence des coûts énergétiques élémentaires, des choix des matériaux constituant le dispositif, etc. Enfin, pour les convertisseurs d'énergie, nous introduisons la notion de rendement énergétique sur cycle de vie prenant en compte leur efficacité globale.

Des outils adaptés pour s'attaquer aux problématiques environnementales sont nécessaires mais malheureusement absents de l'industrie. En effet, l'introduction de nouvelles pratiques d'écoconception dans l'industrie des procédés est entravée par le manque de réalisme et de flexibilité des outils associés. Les objectifs principaux de ce travail de recherche étaient le développement d'un outil intégré pour la modélisation de procédés et l'analyse de cycle de vie (PM-LCA), ainsi que la formulation d'une approche méthodologique affiliée pour l'écoconception de procédés. L'outil logiciel et l'approche méthodologique sont appliqués à la production d'eau potable. La revue de la littérature scientifique a permis d'appréhender les efforts de recherche nécessaires. Les principales lignes directrices sont établies en conséquence. L'outil développé, nommé EVALEAU, consiste en une bibliothèque logicielle de modèles de procédés unitaires permettant le calcul d'inventaire de données en fonction de paramètres de procédés. L'outil est embarqué dans le logiciel ACV Umberto® en complément de la base de données Ecoinvent. Une boîte à outils pour l'analyse de sensibilité, basée sur la méthode de Morris, est implémentée pour l'identification des paramètres de procédés ayant une influence majeure sur les résultats d'impacts environnementaux. L'outil EVALEAU est testé sur deux études de cas - deux usines de production d'eau potable existantes. La fiabilité de l'approche est démontrée à travers la comparaison des calculs de qualité de l'eau, de consommations d'énergie et de matériaux avec les données réelles recueillies sur site. Une procédure d'écoconception est expérimentée sur une chaîne de traitement complexe démontrant ainsi la pertinence des résultats de simulations et l'utilité de l'analyse de sensibilité pour un choix optimal des paramètres opératoires. En conséquence, ce premier outil PM-LCA est censé promouvoir l'introduction de pratiques d'écoconception dans l'industrie de l'eau.