Le concept de bioraffinerie, développé afin de se substituer aux ressources fossiles, vise à concevoir une grande variété de produits (carburants, matériaux, molécules plateformes pour la chimie fine…) en se basant sur la valorisation de ressources renouvelables telles que la biomasse végétale. La mise en place de bioraffineries doit se baser sur de nouveaux procédés, éco-conçus, afin d'optimiser la performance environnementale de la chaine de transformation de la biomasse. Néanmoins, l'écoconception de procédés émergents peut être complexe en raison des multiples configurations possibles et du manque important de données précises et spécifiques sur ces technologies. L’objectif de ces travaux vise donc à développer une méthode d’évaluation multiindicateurs pour l’éco-conception des procédés agro-industriels et de bioraffineries. La démarche générale consiste à coupler les domaines du Génie des Procédés et de l’Analyse du Cycle de Vie. En effet, la modélisation, à partir de modèles physiques ou semi-empiriques (notamment issus de plans d’expériences) puis la simulation de procédés sont utilisées afin de faciliter la phase de réalisation de l’inventaire du cycle de vie en obtenant des bilans matière et énergie détaillés. Ces bilans peuvent ensuite être utilisés pour effectuer une Analyse du Cycle de Vie prospective du procédé. Par itération, il est ainsi possible de réaliser de la prévision de données et de tester de nombreux jeux de conditions opératoires pour le procédé afin d’optimiser sa performance environnementale, en déterminant les conditions opératoires optimales et les opérations unitaires les plus respectueuses de l’environnement. Cette méthodologie et son outil associé ont été testés sur différents procédés de bioraffinerie,impliquant diverses biomasses : micro-algues, coproduits de culture de blé, bois / The biorefinery concept, developed to face fossil resources dependence, aims to design a wide variety of products (biofuels, materials, chemicals ...) based on the development of renewable resources such as plant biomass. The establishment of biorefineries must be based on ecodesigned processes to optimize the environmental performance of the biomass processing chain. Nevertheless, eco-designing innovative processes can be complex due to multiple configurations and the lack of related specific and reliable data. Thereby, the aim of this research work is to develop a multi-indicator evaluation method for the eco-design of agro-industrial and biorefinery processes. The general approach is based on coupling Process Engineering and Life Cycle Assessment fields. Indeed, process modeling, based on mathematical or semi-empirical models (notably resulting from designs of experiments) and process simulation are applied to facilitate the life cycle inventory step by predicting detailed mass and energy balances. Then these data can be used to perform a prospective Life Cycle Assessment of the process. By iteration, it is possible perform data prediction and to test several operating conditions sets for the process, to enhance its environmental performance, by determining optimal operating conditions and by identifying the most environmentally friendly unit operations. The methodology and its associated tool have been tested on different biorefinery processes, involving various biomasses: micro-algae, wheat coproducts and wood

L’analyse du cycle de vie et l’évaluation du risque ont été combinées afin d’évaluer les impacts et risques potentiels de NMs de TiO2 dans l’eau, les sols et les sédiments à une échelle site-spécifique. Une approche analytique a permis de caractériser les NMs industriels dans les eaux, sols et sédiments et de déterminer leur comportement dans l’eau. Un modèle bayésien a été réalisé pour évaluer leur devenir dans les eaux et sédiments de la rivière, ainsi que leurs effets et risques associés en mésocosmes. Il a ainsi été montré que le TiO2 est présent en faible concentration dans l’eau de rivière. En mésocosmes, des risques ont été quantifiés sur deux espèces : Dreissena polymorpha et Gammarus roeseli. Il est apparu nécessaire de mieux caractériser la dimension fractale des agrégats de NMs pour comprendre leur sédimentation et de quantifier les effets des nano-TiO2 dans le milieu naturel, en dépassant l’approche par mésocosmes. / In this work, life cycle and risk assessments were combined in order to assess the potential impacts and risks of TiO2 NMs in water, soils and sediments at a site-specific scale. Two approaches were used: (1) An analytical approach allowed the analysis of waters, sediments and soils, the characterization of industrial NMs and the determination of their aggregation behavior in water; (2) A Bayesian modeling approach was used to assess their fate in the river water and sediments, as well as their potential effects and risks in mesocosms. It was thus shown that TiO2 occurs at low concentrations in the river water. Quantifying the TiO2 mass which deposits on the sediment requires characterizing more precisely their fractal dimension. Finally, nano-TiO2 were shown to induce risks to two species in mesocosms: it is consequently necessary to assess the potential effects of the nano-TiO2 produced on the study area in mesocosms, simulating realistic conditions.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / L'enveloppe du bâtiment comprends un enchaînement de matériaux permettant de remplir les fonctions nécessaires pour assurer la durabilité et l'efficacité énergétique des bâtiments. Dans un climat froid comme le Canada, la concentration en vapeur d'eau à l'intérieur des bâtiments est plus élevée que dans l'environnement extérieur, ce qui entraîne une migration de l'humidité à travers le mur du bâtiment. Par conséquent, une membrane devrait être installée dans l'enveloppe du bâtiment pour contrôler la transmission de l'humidité. Les membranes conventionnelles sont principalement des matériaux fossiles qui peuvent avoir plusieurs impacts négatifs sur l'environnement. La présente thèse, divisée en trois axes, a été consacrée au développement de membranes entièrement biosourcées pour l'application de l'enveloppe du bâtiment à partir de biopolymères et de microfibres de cellulose (CMF). Pour améliorer la dispersibilité des CMF dans la matrice polymère, trois méthodes de modification ont été conduites. Le premier axe s'est concentré sur la modification hydrophile des CMF avec du polyéthylène glycol (PEG). Dans le deuxième axe, les CMF ont été modifiées avec de l'acide lactique (LA) via une réaction d'estérification, et l'impact environnemental des membranes développées a été étudié. Enfin, au cours du troisième axe, des membranes pare-vapeur à structure sandwich ont été développées à partir de biopolymères et de CMF modifiées par sol-gel, et leurs propriétés mécaniques et barrières ont été étudiées avant et après vieillissement accéléré. Dans le premier axe, les résultats ont montré que l'utilisation du compatibilisant PEG améliorait la dispersion des fibres de cellulose dans la matrice d'acide polylactique (PLA). L'analyse thermogravimétrique a montré que l'ajout de CMF modifiées augmentait la stabilité thermique des matériaux. De plus, la perméabilité à la vapeur d'eau des membranes à base de PLA développées a été améliorée en ajoutant des CMF modifiées dans la matrice de PLA. Au cours du deuxième axe, des membranes pare-vapeur ont été fabriquées à partir de PLA et de CMF modifiées avec du LA. Les résultats ont indiqué que l'adhérence interfaciale entre les fibres modifiées et le PLA s'est améliorée après la modification. Selon les résultats des tests de traction, les membranes à base de PLA développées ont montré des propriétés mécaniques et des performances de barrière supérieures à celles des composites PLA/CMF non traitées. De plus, l'impact environnemental du composite préparé a été étudié avec un outil d'évaluation de cycle de vie et les résultats ont démontré que l'incorporation de CMF dans le PLA réduisait le potentiel de réchauffement climatique des matériaux. Pour le troisième axe, une membrane à structure sandwich a été réalisée pour une application de pare-vapeur. Dans cette membrane, les couches superficielles sont des feuilles de polyhydroxyalcanoate (PHA) et la couche intermédiaire est un composite à base de PLA renforcé avec des CMF modifiées par sol-gel. Selon les résultats obtenus, les CMF modifiées présentaient un caractère hautement hydrophobe (valeur d'angle de contact d'environ 118 ˚) et elles étaient dispersées de manière homogène dans la matrice PLA. En ce qui concerne les propriétés mécaniques, l'incorporation de fibres dans les composites sandwich a augmenté les valeurs du module d'Young et de résistance à la traction des membranes. La perméabilité à la vapeur d'eau des composites sandwich a augmenté avec l'ajout de fibres de cellulose. Cependant, les composites renforcés avec les CMF modifiées ont montré des performances de barrière supérieures à celles des CMF non traitées. De plus, un test de durabilité a été réalisé pour déterminer l'effet du vieillissement accéléré sur les propriétés des composites sandwich. Les résultats ont démontré que les propriétés mécaniques et barrières des composites incorporés avec des CMF non traitées ont diminué après vieillissement accéléré, alors que les composites renforcés avec des CMF modifiées par sol-gel ont connu le moins de changement. / The building envelope involves a sequence of materials to fulfill the functions necessary for good sustainability and energy efficiency of buildings. In a cold climate like Canada, the water vapor concentration inside buildings is higher than in the exterior environment, leading to moisture flow through the building wall. Therefore, a membrane should be installed in the building envelope to control the transmission of moisture. Conventional membranes are mainly fossil-based materials that can have several negative impacts on the environment. The present thesis, divided into three axes, was dedicated to the development of fully bio-based membranes for building envelope application from biopolymers and cellulose microfibers (CMF). To improve the dispersibility of CMF in the polymer matrix, three modification methods were conducted. The first axis was focused on the hydrophilic modification of CMF with the polyethylene glycol (PEG) compatibilizer. In the second axis, CMF was modified with lactic acid (LA) via an esterification reaction, and the environmental impact of developed membranes was studied. Finally, during the third axis, sandwich-structured vapor barrier membranes were developed from biopolymers and sol-gel modified CMF, and their mechanical and barrier properties were investigated before and after artificial aging. In the first axis, the results showed that the utilization of PEG compatibilizer improved the dispersion of cellulose fibers in the PLA matrix. The thermogravimetric analysis illustrated that the addition of modified CMF increased the thermal stability of materials. Moreover, the water vapor permeability of developed PLA-based membranes was enhanced by adding modified CMF into the PLA matrix. During the second axis, vapor barrier membranes were fabricated from PLA and LA-modified CMF. The results indicated that the interfacial adhesion between modified fibers and PLA improved after the modification. According to the tensile test results, the developed PLA-based membranes showed superior mechanical properties and barrier performance than the PLA/untreated CMF composites. Additionally, the environmental impact of the prepared composite was studied by the life cycle assessment tool, and results demonstrated that the incorporation of CMF into PLA reduced the global warming potential of materials. For the third axis, a sandwich-structured membrane was produced for the vapor barrier application. In this membrane, the surface layers are sheets of polyhydroxyalkanoate (PHA), and the interlayers are PLA-based composites reinforced with sol-gel modified CMF. According to the obtained results, the modified CMF exhibited a highly hydrophobic characteristic (contact angel value of about 118 ˚), and they were homogeneously dispersed in the PLA matrix. Regarding the mechanical properties, the incorporation of bio-fillers into sandwich composites increased the values of tensile modulus and strength of membranes. The water vapor permeability of sandwich composites increased with the addition of cellulose fibers; however, the composites reinforced with the modified CMF showed superior barrier performance than that of untreated CMF. In addition, a durability test was performed to determine the effect of artificial aging on the properties of sandwich composites. The results demonstrated that the mechanical and barrier properties of composites incorporated with untreated CMF decreased after the artificial aging, whereas the composites reinforced with the sol-gel modified CMF experienced the slightest change.

Comment les entrepreneurs forestiers peuvent-ils prendre en considération les impacts environnementaux dans leurs décisions d’affaires ? Quelles technologies peuvent réduire les impacts environnementaux tout en rendant l’entreprise plus profitable ? Afin de répondre à ces questions, un outil d’aide à la décision stratégique a été développé. Ce modèle est basé sur l’optimisation multicritère et intègre la minimisation des impacts environnementaux aux objectifs économiques. La considération d’impacts environnementaux et économiques sur l’ensemble du réseau logistique requiert une vision holistique. C’est pour cette raison qu’une approche de cycle de vie est utilisée tout au long de cette thèse. Ainsi, le modèle multicritère est alimenté par des analyses de cycle de vie environnementale et de coûts. L’analyse de cycle de vie (ACV), sous-entendu attributionnelle et environnemental, est une méthode normalisée et reconnue permettant de quantifier les impacts environnementaux d’un produit ou d’un service. La première contribution de cette thèse est de présenter une ACV du portefeuille de produits d’une entreprise forestière. Il s’agit de la première contribution analysant l’ensemble d’un portefeuille de produit d’une organisation. Cette ACV a été réalisée avec la méthode IMPACT 2002+ permettant d’obtenir une quantification des dommages sur la santé humaine, la qualité des écosystèmes, les changements climatiques et la consommation de ressources. Ces quatre impacts sont utilisés comme critères environnementaux du modèle d’optimisation multicritère. La seconde contribution introduit la réalisation d’une analyse de cycle de vie de coût basée sur la comptabilité par activités (ACVC-PA) couvrant l’ensemble des opérations de récolte et de transformation d’une entreprise forestière. À partir des résultats des coûts de chacune des activités, le coût de revient est attribué à chacun des produits du portefeuille. Dans la discussion est présentée une analyse de l’état d’avancement des principaux produits sur les marchés nord-américains. La méthodologie de l’ACVC-PA a été choisie, car elle permet de faire des liens avec les résultats de l’analyse environnementale. Le modèle d’aide à la décision intégrant les critères environnementaux est présenté dans la troisième contribution. Les résultats des deux analyses précédentes sont incorporés dans un modèle d'optimisation multicritère, auquel sont ajoutés les effets de substitutions, grâce à une approche conséquentielle de l’ACV. Dans le cas des produits du bois, les effets de substitutions ont des impacts positifs, au moins sur les changements climatiques, puisque les matériaux de construction courants (acier ou béton) et les combustibles fossiles ont une intensité carbonique supérieure. Ce modèle propose des solutions optimales d’un point de vue environnemental et économique, ainsi que les compromis entre ces critères, quant aux flux de matières et l'acquisition de nouvelles technologies. Une représentation graphique des réseaux proposés accompagne le calcul des bénéfices nets annuels anticipés et des émissions nettes de gaz à effet de serre de chacune des solutions. La démonstration du modèle d’aide à la décision repose sur l’étude de cas d’une entreprise forestière. Le modèle mathématique est en programmation linéaire en nombres entiers, qui est résolue par la méthode exacte et l’approche a posteriori. Ce qui permet de générer 150 solutions, en faisant varier les pondérations entre 0 et 1 pour chaque critère. Plusieurs technologies prospectives sont intégrées dans ce modèle tout en respectant les contraintes d’approvisionnements, de recette et de capacité spécifique au contexte de l’entreprise forestière à l’étude. Une dernière contribution porte sur le transport des produits du bois. L’acheminement des systèmes de construction préfabriquée directement sur les chantiers de construction présente plusieurs avantages, mais est une source d’émissions de gaz à effet de serre. CarbonRoadMap est un modèle d’aide à la décision multicritère et multimodal offrant des alternatives au transport en camion. L’entreprise forestière peut ainsi proposer des parcours en fonction des priorités de ses clients, qui peuvent être le délai, le coût ou les émissions de gaz à effet de serre. L’ensemble de cette thèse démontre que l’intégration des critères environnementaux dans les outils d’aide à la décision permet d’élargir la vision des décideurs. De plus, dans les deux études modèles, propres à l’entreprise forestière, les solutions réduisant les impacts environnementaux sont majoritairement des sources de profit supplémentaire simultanément. / How can forest harvesting entrepreneurs consider environmental impacts in their business decisions? What technologies can reduce environmental impacts while making the company more profitable? To answer these questions, we developed a strategic decision support tool which integrated the minimization of environmental impacts with economic objectives environmental based on multi-criteria optimization. The consideration of environmental and economic impacts on the entire logistics network requires a holistic vision. That why a life-cycle approach was adopted all long of this thesis. Thus, the multi-criteria model is powered by environmental Life-Cycle Assessment (LCA) and Life-Cycle Cost Assessment (LCCA). The first contribution of this thesis is to present a LCA of the product portfolio of a forestry company. LCA is a standardized and recognized method for quantifying the environmental impacts of a product or service. This analysis was realized with the IMPACT 2002+ method, which quantify damages on human health, ecosystem quality, climate changes and resource consumption, which are the four environmental criteria in this entire research project. The second contribution is the realization of an Activity-Based Life-Cycle Costing (AB-LCC) covering all the harvesting and processing activities of the same forestry company. The cost structure of the company was analyzed for each product of the portfolio along with an analysis of the life-cycle of each Harvested Wood Product (HWP) in the North American market context. With a consequential LCA approach, it is possible to consider the consequences of a change by integrating the substitution effects. Substition of building materials, such as steel or concrete, and of fossil fuels by HWP has positive greenhouse gas emission impacts. The third contribution, presented in chapter 4, use results of the previous analyzes to incorporate them in a multi-criteria optimization model which considers both profitability and environmental impacts. The decision support model provides optimization from an environmental, economic and all compromises between these criteria, on material flux and new technology acquisition. A graphical representation of the proposed network accompanies the calculation of expected annual profits and net GHG emissions of solutions. The case study is based on primary and historical data of the company activities as well as set of new technologies considered, for both environmental and economic criteria. The mathematical model is linear integer programming that is resolved by the exact method and a posteriori approach, by varying weights between 0 and 1 for each criterion, to generate 150 solutions. Several prospective technologies are proposed in the model while respecting the constraints of supplies, recipes and specific capacity to the context of the studied forestry company. A final contribution of this thesis is about the HWP delivery system, presented in chapter 5. The routing of prefabricated building systems directly on construction sites has several advantages, but it is a source of GHG emissions. CarbonRoadMap is a multicriteria and multimodal model supporting decisions about alternatives to truck only transport. The forestry company can suggest different routes based on the priorities of its customers, who may be the time, cost or carbon emissions. This whole thesis demonstrates that the integration of environmental criteria in the decision support tools allows a wider vision. In the applications, specific to forestry business, the solutions with an environmental impacts reduction are mostly a source of additional profit simultaneity.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Au Canada, le secteur du bâtiment est responsable de 13% des émissions de GES. Dans un contexte de mix énergétique majoritairement composé de ressources renouvelables comme dans la province de Québec, les impacts environnementaux liés aux matériaux sont responsables d'une grande part des impacts des bâtiments. Par conséquent, la prise en compte du carbone intrinsèque sera nécessaire pour atteindre l'objectif canadien de carboneutralité d'ici 2050. Dans l'industrie de la construction, de plus en plus de manufacturiers sont portés à publier les résultats d'analyse du cycle de vie de leurs produits dans des déclarations environnementales de produits (DEP). Ces DEP partagent les impacts environnementaux d'un matériau de construction sous un format simplifié. Ces déclarations sont consultées par les professionnels en conception de bâtiment tels que les architectes et les ingénieurs. En revanche, malgré les règles de catégories en place et les normes à respecter pour concevoir une DEP, les hypothèses pour réaliser l'analyse du cycle de vie peuvent varier et ainsi avoir un impact sur la comparabilité des DEP. Ce projet a pour objectif d'évaluer l'effet d'utiliser les résultats d'impacts environnementaux provenant des DEP pour le choix des éléments de structure en bois massif d'un bâtiment résidentiel multiétage. L'étude a porté sur les DEP nord-américaines des éléments de structure en bois suivants : le lamellé-collé, le lamellé croisé et le bois en placage stratifié. Les résultats d'impacts environnementaux dans les DEP ont été comparés aux données génériques de la base de données Ecoinvent v3.8. Les résultats de cette étude suggèrent que les DEP peuvent généralement être utilisées sans distinction par rapport à leur équivalent dans la base de données générique. Cependant, quelques valeurs d'impacts environnementaux dans des DEP étaient nettement différentes du groupe. De plus, puisque les DEP évaluées déclaraient seulement les impacts de la phase de production, d'autres impacts tels que le transport des matériaux jusqu'au site de construction peuvent avoir un impact considérable sur l'ensemble du cycle de vie du bâtiment. Conséquemment, il est recommandé d'utiliser les DEP dans le cadre d'une analyse du cycle de vie de bâtiment plutôt que d'utiliser les DEP à des fins de comparaisons directes entre elles. Cette étude permettra aux professionnels en conception du bâtiment de mieux comprendre les impacts intrinsèques des matériaux de construction et leur influence sur l'ensemble du cycle de vie du bâtiment.

L'urgence d'agir fait de plus en plus consensus sur l'ensemble de la planète face aux changements climatiques. En effet, les bâtiments engendrent chaque jour une importante quantité d'impacts dans l'environnement. À cet égard, l'enveloppe des bâtiments est un facteur primordial à prendre en considération dans la lutte contre les changements climatiques. Ce projet propose donc d'améliorer l'enveloppe au niveau de la toiture. Pour ce faire, l'objectif de cette étude est d'identifier le point de découplage entre les coûts et les bénéfices environnementaux des toitures végétalisées versus une toiture conventionnelle considérant un contexte de mix énergétique renouvelable et une région climatique nordique. Une analyse du cycle de vie comparative a été réalisé sur quatre assemblages de toitures, dont trois toitures végétalisées à savoir, extensive, semi-intensive et intensive et une toiture conventionnelle. Les toitures ont été étudiées sur les phases de production, de construction, d'utilisation et de fin de vie. Le logiciel EnergyPlusᵀᴹ a été utilisé pour quantifier la consommation d'énergie du bâtiment lors de la phase d'utilisation. Le transport entre chacune des phases a été pris en compte dans cette étude. Les données ont été collectées à partir de la base de données d'EcoInvent et ont été incorporées au logiciel SimaPro duquel les résultats ont été extraits. Les émissions CO₂ libérées par le bâtiment de référence avec chacune des toitures durant la phase d'utilisation et le taux de la séquestration carbone des végétaux plantés sur les toitures végétalisées ont été quantifier et intégrer dans une analyse du cycle de vie dynamique. Les résultats indiquent que l'écart des impacts environnementaux des changements climatiques accumulés à l'année 45 entre les toitures végétalisées extensive, semi-intensive et intensive versus la toiture conventionnelle est de -10,97%, -10,25% et -2,60%, respectivement. Ces résultats suggèrent que les systèmes de toitures végétalisées extensives et semi-intensives sont avantageuses par rapport à une toiture conventionnelle pour une durée de vie de 45 ans dans un contexte de climat froid. En ce qui concerne la toiture végétalisée intensive, elles ne sont ni avantageuses ni désavantageuses par rapport à une toiture conventionnelle. Ce projet fait progresser les connaissances concernant les apports environnementaux de la couverture végétale des toitures végétalisées dans un contexte climatique froid pour les futures constructions. / The urgency to act front climate change is becoming more and more unanimous around the world. Indeed, every day, a large amount of environmental impact is generated by buildings. In this regard, the building envelope is a key factor to consider mitigating climate change. This project proposes to improve the envelope building at the level of the roof. To do this, the aim of this study was therefore to identify the point of decoupling between the environmental cost and the environmental benefits of green roofs versus a conventional roof considering a context of renewable energy mix and a cold climate. A comparative life cycle assessment was performed in SimaPro where four roof assemblies were compared: three green roof systems, namely extensive, semi-intensive and intensive and a conventional roof. Roof assemblies were studied in the production, construction, use and end life phases. EnergyPlusᵀᴹ software was performed to quantify the building energy consumption during the use phase. Transportation between each phase, maintenance and carbon sequestration of the plants on the green roofs were also taken into account in this study. Data was collected from the EcoInvent database and was incorporated into the SimaPro software from which the results were extracted. The CO₂ emissions released by the reference building with each of the roofs during the use phase and the rate of carbon sequestration of the plants planted on the green roofs were quantified and integrated into a dynamic life cycle analysis. The results indicate that the difference in environmental impacts of climate change accumulated at year 45 between extensive, semi-intensive and intensive green roofs versus conventional roofing is -10.97%, -10.25% and -2.60%, respectively. These results suggest that extensive and semi-intensive green roof systems are advantageous over conventional roofing for a 45-year life span in a cold climate. As for the intensive green roof, they are neither advantageous nor disadvantageous compared to a conventional roof. This project advances knowledge regarding the environmental contributions of green roofing in a cold climate context for future constructions.

Cette thèse porte sur l’étude des impacts environnementaux de systèmes de production de bovins. Le premier objectif était d’analyser et de comparer les impacts environnementaux de systèmes de production de viande et de lait par analyse de cycle de vie (ACV) attributionnelle. Les effets de pratiques d’atténuation de ces impacts ont été évalués pour les systèmes de production de viande. Le second objectif était un développement méthodologique afin d’explorer les conséquences possibles d’une préférence accrue pour un lait produit à base d’herbe, par ACV conséquentielle. Dans un système de production de viande par le troupeau allaitant, le méthane entérique a été le principal contributeur à l’impact changement climatique, et la production de l’herbe a été la principale contributrice aux autres impacts (demande énergétique cumulée, eutrophisation, acidification, occupation du sol). L’atelier naisseur (vaches allaitantes et leurs veaux, génisses) a contribué de manière majeure aux impacts du système allaitant dans son ensemble. La pratique d’atténuation la plus efficace pour le système a été la diminution de l’âge au vêlage de 3 à 2 ans. L’utilisation de lipides riches en acides gras oméga-3 dans le régime a très peu affecté les impacts du système. L’application simultanée de plusieurs pratiques d’atténuation compatibles entre elles réduit sensiblement les impacts. L’application de pratiques telles que la réduction du gaspillage d’herbe, l’engraissement des génisses non utilisées pour le renouvellement et la diminution de l’âge au vêlage réduisent l’occupation du sol. Un usage alternatif des terres libérées tel que la plantation de forêt pour séquestrer du carbone dans la biomasse semble prometteur. L’étude de systèmes de production de lait a été centrée sur les comparaisons de systèmes à base d’herbe ou d’ensilage de maïs, d’une race spécialisée (Holstein) ou mixte (Normande) et sur l’effet du niveau de production laitière par ACV attributionnelle. Quelle que soit la méthode d’attribution des impacts aux co-produits, les impacts par kg de lait ont été plus faibles pour les systèmes à base d’ensilage de maïs et pour les Holstein, sauf pour l’eutrophisation. L’accroissement de la production de lait par vache grâce à une consommation d’énergie accrue et au vêlage à 2 ans a permis de réduire les impacts du lait et de son co-produit viande. Les conséquences de la conversion d’une exploitation laitière utilisant beaucoup de maïs ensilage vers une exploitation utilisant de l’herbe comme unique source de fourrage pour répondre à une demande de lait produit à base d’herbe en France ont été évaluées par ACV conséquentielle. Cette conversion entraîne des changements notables de l’utilisation des sols en dehors de l’exploitation, et donc un fort accroissement des impacts du système dans son ensemble et du lait produit. / This thesis addresses the environmental impacts of cattle production systems. The first objective of this thesis was to analyse and compare the environmental impacts of suckler-beef and dairy production systems using attributional life cycle assessment (ALCA). Subsequently, the effects of mitigation practices for suckler-beef production systems were assessed. The second objective addressed methodology development by exploring possible consequences due to an increase in preference for grass-based milk using consequential LCA (CLCA).For a suckler-beef production system, enteric methane fermentation was the main contributor to the climate change impact, and grassland production contributed most to other impacts (cumulative energy demand, eutrophication, acidification and land occupation). The suckler cow-calf herd substantially contributed to the impacts of the suckler-beef system. The most effective mitigation practice for the suckler-beef production system was decreasing calving age from 3 to 2 years. The use of lipids rich in omega-3 fatty acids in ruminant diets did not substantially affect the impacts of the suckler-beef production system. Simultaneous application of several compatible practices can substantially mitigate the impacts of the suckler-beef production system. The application of certain practices (e.g. reducing ungrazed grass losses, fattening heifers not used for replacement and reducing calving age) reduced land occupation. Alternative uses for the “released land”, e.g. the introduction of forest to sequester C into biomass, seems promising. For dairy production systems, the assessment focused on a grass-based vs. maize-silage-based system, dual-purpose breed (Normande) vs. specialised breed (Holstein) and the effect of increasing milk yield per cow, using the ALCA approach. Independent of co-product handling methods, the impacts per kg of milk were lower with the maize-silage-based system and with Holstein cows (except for eutrophication). Increasing milk yield per cow by increasing feed energy intake and applying more intensive management (first calving at 2 years) decreased the impacts of milk and its beef co-product. The consequences of converting a maize-silage-based to a grass-based dairy farm in France to meet the increased domestic preference for grass-based milk were assessed using the CLCA approach. This farm conversion caused land-use change outside the dairy farm and thus substantially increased the impacts of the whole production system and the milk it produced.

Au cours de cette thèse, les prévisions de la méthodologie d’Analyse de Cycle de Vie (ACV) sont améliorées, via l’exergie, pour l’analyse et l’éco-conception des procédés. Nous mettons l’accent sur le potentiel de l’analyse exergétique et de la Consommation d’Exergie Cumulée (CExC) dans l’évaluation du critère d’épuisement, de productivité et de recyclabilité des ressources naturelles. Dans ce cadre, les transferts de pollutions et les impacts environnementaux d’un système de traitement des eaux résiduaires (STEP) ont été analysés en relation avec l’exergie consommée (CExC) et de l’exergie détruite (étude a priori). L’étude montre que la décision est différente lorsque l’indicateur d’épuisement des ressources naturelles est basé sur la méthode CExC de celle basée sur la méthode CML. L’amélioration de l’éco-efficacité d’une STEP implique un recyclage des boues en agriculture. La stabilisation des boues par digestion anaérobie réduit le volume des boues et ainsi l’impact du transport en comparaison avec la stabilisation à la chaux. Toutefois, elle réduit le potentiel fertilisant des boues, d’une part, et augmente la consommation d’énergie et l’impact du réchauffement climatique à cause du traitement des retours en tête d’autre part. Bien que la valorisation du biogaz en cogénération réduise la dépendance énergétique de la STEP et améliore son éco-efficacité globale en comparaison avec le chaulage, elle n’offre pas la possibilité à un séchage des boues. Le séchage des boues constitue l’une des recommandations des agriculteurs, bien qu’il n’améliore pas le l’éco-efficacité globale de la STEP, en augmentant l’épuisement et l’exergie détruite des ressources brutes et du biogaz / The focus of the work has been to improve the predictions of Life Cycle Assessment (LCA) via exergy for processes analysis and eco-design. The potential of the exergetic analysis and Cumulative Exergy Consumption (CExC) in estimating the criterion of depletion, productivity and recyclability of natural resources has been investigated. In this context, the transfer of pollutants and the environmental impacts of a wastewater treatment system (WWTP) have been analyzed in relation with the consumed exergy (CExC) and the destroyed exergy. The study shows that decision is different if the indicator of depletion of natural resources is based on the method of CExC or on the CML method. The improvement of the overall eco-efficiency of a WWTP involves a recycling of sludge in agriculture. Stabilization of sludge by anaerobic digestion reduces the volume of sludge and consequently the impact of transport in comparison with the stabilization with lime. However, on one hand, it reduces the fertilizer potential of sludge. On the other hand it increases energy consumption and the impact of the global warming because of the treatment of digested sludge supernatant recycled to the WWTP. Although the recovery of biogas by cogeneration reduces the energy dependency of the WWTP and improves its overall eco-efficiency in comparison with the liming scenario, it does not provide the possibility for sludge drying. Drying the sludge is one of the recommendations of farmers, although it does not improve the overall eco-effectiveness of the WWTP, and increases the depletion and the destroyed exergy of raw resources and biogas

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.