Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L'objectif de ces travaux vise à évaluer les performances techniques et environnementales d'un procédé de fractionnement et de purification d'hémicelluloses de pailles et sons de blé. La démarche employée consiste dans un premier temps à évaluer la faisabilité du procédé à une échelle pilote. Celui-ci implique notamment une opération de fractionnement par extrusion bi-vis et des étapes de concentration-purification par une combinaison d'ultrafiltration et de chromatographie sur résine. Il est comparé à un procédé plus classique où l'extrait extrudé subit une évaporation et une précipitation éthanolique. L'étude des compositions chimiques des extraits et des poudres produites à chaque étape du procédé permet d'observer que l'extrusion bi-vis donne des rendements plus faibles que d'autres techniques d'extraction, mais présente des avantages en termes d'échelle, de continuité du procédé, et de faibles consommations d'eau. Par ailleurs, l'ultrafiltration est une technique intéressante car elle permet une purification et une concentration des extraits simultanées et la chromatographie sur résine s'est avérée être une solution attractive pour la décoloration des extraits. Dans un second temps, la méthodologie d'analyse du cycle de vie (ACV) a été appliquée au procédé. Celle-ci a mis en avant le fort impact environnemental généré par certaines opérations unitaires et a donné lieu à l'identification de priorités d'actions pour l'amélioration du procédé. Ainsi, le scénario mettant en jeu une combinaison de l'ultrafiltration avec une chromatographie sur résine semble plus avantageux que celui mettant en jeu une évaporation sous vide combinée à une précipitation éthanolique. La démarche employée apporte également des réponses méthodologiques sur la démarche d'ACV appliquée aux procédés : l'importance de prendre en compte différentes méthodes de caractérisation, de tester la sensibilité de l'étude à l'unité fonctionnelle et aux hypothèses initiales ont été mises en avant. Enfin, dans le but de démontrer sa forte potentialité dans le domaine des procédés, l'ACV a été appliquée à certaines opérations unitaires. L'intérêt d'étudier l'influence des conditions opératoires des procédés sur les impacts environnementaux a été démontré. Par ailleurs, la nécessité de développer des outils de modélisation des procédés qui pourront être couplés à ceux de l'ACV afin d'intégrer pleinement les critères environnementaux au dimensionnement des procédés a été mis en avant. / The objective of this work was to evaluate the technical and environmental performance of a fractionation and purification process of hemicelluloses from wheat straw and bran. The approach used was first to assess the feasibility of the process on a pilot scale. This implied setting up twin-screw extrusion, concentration steps by ultrafiltration and a purification step by ion exchange chromatography. It was compared to a more traditional process where the extruded extract was treated by evaporation and ethanol precipitation. Study of the chemical composition of extracts and powders produced at each stage of the process, showed that the twin-screw extrusion gave lower yields than other extraction techniques, but had the advantage in terms of scale, continuity of the process and low water consumption. Furthermore, ultrafiltration is an interesting technique because it allows simultaneous purification and concentration of the extracts, and ion exchange chromatography proved to be an attractive solution for the removal of coloured compounds. In a second step, the life cycle assessment (LCA) methodology was applied to the process. This highlighted the strong environmental impact generated by some unit operations, and resulted in the identification of priorities to improve the process. Thus, the scenario involving a combination of ultrafiltration with ion exchange chromatography appears to be more advantageous than that involving vacuum evaporation combined with ethanol precipitation. The approach used also provides methodological answers for LCA applied to processes: the importance of taking into account different characterization methods, testing the sensitivity of the study to the functional unit, and reconsidering the initial assumptions, has been stressed. Finally, in order to demonstrate its high potential in the field of processes, LCA has been applied to some unit operations. The interest of studying the influence of process operating conditions on environmental impacts has been demonstrated. In addition, the need to develop tools for modelling processes that can be coupled to those of LCA in order to fully integrate environmental criteria into process design, has been highlighted.

Les évolutions des enjeux environnementaux et de la réglementation Européenne impliquent que la conception des produits automobiles s’appuie sur des évaluations environnementales des solutions de natures « systémiques ». L’ACV est la seule approche véritablement reconnue pour mesurer la performance environnementale des systèmes, en identifiant les étapes et les activités les plus polluantes sur l’ensemble de leur cycle de vie. Les résultats d’ACV permettent donc de prendre des mesures ou d’établir des stratégies de réduction des impacts environnementaux dès la phase de conception, en fournissant un retour d’expérience sur les solutions techniques évaluées. Pour ce faire, l’ACV doit être réellement intégrée et exploitée en temps réel dans le processus de conception. Cette condition est le seul moyen de « garantir » une « réelle et efficace » prise en compte de la performance environnementale des nouveaux produits dans les prises de décisions de conception. En effet, puisque une part importante de ces décisions revient aux concepteurs, l’implication de ces derniers dans l’évaluation environnementale est incontournable pour disposer d’un maximum d’espace d’éco-conception innovante. L’ACV dans sa forme normalisée et commercialisée s’avère cependant trop complexe pour être directement intégrée dans le processus de conception. Les difficultés majeures se posent sur l’appropriation même de l’outil par les concepteurs et sur son intégration dans le processus de conception. Nous avons développé et expérimenté durant cette thèse, au sein de l’équipementier Faurecia, une nouvelle méthodologie permettant d’opérationnaliser l’ACV en conception. Elle repose sur trois principes. Le premier principe porte sur une standardisation des hypothèses et du périmètre de la modélisation ACV pour un système produit dans une même entreprise. Le second principe consiste en une restitution du profil environnemental d’un produit sans passer par la modélisation ACV, grâce à une approche fictive par des «fonctions d’impacts». Le troisième principe vise à la simplification de l’interprétation des résultats d’ACV par les concepteurs, en réduisant le nombre de critères à prendre en compte et en facilitant leur compréhension grâce à la création d’un référentiel par familles de produits. / Developments in environmental issues and European regulations require that the design of automotive products is based on a "global and systemic environmental assessments” of technical solutions. LCA (Life Cycle Assessment) is the only truly recognized approach for measuring the environmental performance of systems, by identifying the critical steps and the most polluting activities throughout their life cycle. The LCA results enable then taking action or developing strategies to reduce environmental impacts from the design phase, providing feedback on the evaluated technical solutions. To do this, LCA must be truly integrated and operated in “real time” in the design process. This condition is the only way to "guarantee" a "real and effective" consideration of the environmental performance of new products in design decisions. Since a significant part of these decisions belong to the design team, their involvement in the environmental assessment is essential to have a maximum space for eco-innovative design. LCA in its standard and marketable form is too complex to be directly integrated into the design process. Several difficulties arise regarding mainly the tool appropriation by the design team and its integration into the design process. We have developed and tested during this thesis, with the automotive supplier Faurecia a new methodology to operationalize the LCA in the design phase. It stands on three principles. The first principle deals with standardization of assumptions and the scope of the LCA modeling for a product in the same company. The second principle is returning the environmental profile of a product without going through the LCA modeling, through a fictional approach by "functions of impact". The third principle is to simplify the interpretation of LCA results by the design team, by reducing the number of criteria to consider and facilitate their understanding by creating an environmental system of reference per range of product.

Le sol fait face à de nombreuses pressions anthropiques qui menacent son fonctionnement et sa capacité à fournir des services essentiels au bien-être humain. Pour évaluer l’effet de ces perturbations et proposer de nouvelles voies de gestion des sols, il est nécessaire de développer des méthodes d’évaluation de la qualité des sols opérationnelles. La qualité des sols a été définie comme « la capacité des sols à fonctionner […] » (Karlen et al., 1997). Cependant, la littérature scientifique se focalise plutôt sur son état et ses propriétés que sur son fonctionnement. En effet, la qualité des sols est généralement appréhendée comme une somme de propriétés édaphiques, chimiques et biologiques qui ne tiennent pas compte des nombreuses interactions de cet écosystème. Cette étude propose un nouveau cadre conceptuel d’évaluation fonctionnelle de la qualité des sols basé sur la mesure directe des fonctions portées par les assemblages biologiques du sol. A partir de ce cadre, un nouveau set d’indicateurs, nommé Biofunctool®, a été développé. Biofunctool® permet de renseigner trois fonctions du sol (transformation du carbone, cycle des nutriments et maintenance de la structure) à partir de douze indicateurs, bords de champ et de faible technicité. Le set d’indicateurs a été appliqué dans divers sites expérimentaux en Asie du Sud Est et a permis de relever l’impact i) de la transition entre une culture annuelle et une culture pérenne, ii) de l’évolution du développement de cultures pérennes et iii) d’une couverture du sol avec légumineuses en plantation d’hévéa sur la qualité des sols. L’évaluation locale et fonctionnelle de la qualité des sols a pu ensuite être extrapolée à une échelle plus globale grâce à un modèle prédictif. Ce modèle permet de répondre à une forte attente d’intégration d’un indicateur fonctionnel de qualité des sols dans les modèles d’évaluation environnementale à une échelle globale comme l’Analyse Cycle de Vie. / Soils are currently threatened by many human activities that jeopardize soil functioning and its ability to provide ecosystem services, vital for human well-being. In order to assess human impacts and to propose new management practices to protect soils, it is necessary to implement assessments of soil quality. Soil quality was defined by Karlen et al. (1997) as “the capacity of soil to function […]”. However, in the literature, most of study focus on assessment of soil properties and intrinsic states rather than focusing on the soil functioning and the multiple interactions within the complex system. This study proposes a new integrative approach of the soil quality from direct assessment of the functions carried out by the soil biological assemblages, namely Biofunctool®. Biofunctool® allows for assessing three soil functions (carbon transformation, nutrient cycling, structure maintenance) based on twelve functional, in-field and low-tech indicators. Biofunctool® was applied over several case studies in Thailand to assess the impact of various land management on soil quality. The results pinpointed the impact of the conversion from an annual cropping system to a perennial one on soil; it also raised the evolution of soil quality over perennial tree stands and the impact of cover crop in rubber tree systems. The local assessment of soil integrative quality was then scaled up, to be integrated within the Life Cycle Assessment framework through a predictive model approach. The model developed allows to meet the current demand in defining integrative indicators of soil quality adapted to global scale environmental frameworks.

Environ 65% des eaux intérieures sont menacées modérément ou fortement par l'altération anthropique et le changement climatique. La Terre a perdu environ la moitié de ses habitats d'eau intérieure au cours des cent dernières années et le prélèvement mondial d'eau devrait augmenter de plus de 50% au cours des 20 prochaines années. Dans ce contexte, la concurrence pour les ressources en eau entre les humains et les écosystèmes est appelée à s'intensifier au détriment de la biodiversité d'eau douce. Pour cette raison, il est aujourd'hui impératif de quantifier et de sauvegarder les besoins en eau de ces écosystèmesEn tant qu'outil global d'aide à la prise de décision, plusieurs modèles d'évaluation d'impact de la consommation d'eau sur les écosystèmes ont été proposés dans le cadre de l'analyse du cycle de vie (ACV). L'un des défauts importants des modèles actuels d'ACV, qu'ils soient mécanistes ou non-mécanistes, midpoint ou endpoint, c’est la prise en compte limitée des besoins environnementaux en eau (EWR). Pour cette raison, les approches existantes pour l'évaluation des EWR ont été étudiées, afin d'évaluer les avantages potentiels d'une meilleure prise en compte des principes écohydrologiques dans l’ACV sur les écosystèmesCela a permis de définir le concept d'habitat d'eau douce en ACV et d'élaborer un cadre conceptuel pour l'application des méthodes de simulation d'habitat dans la modélisation. Un indicateur midpoint du potentiel de changement d'habitat (HCP) évaluant l'impact de la modification du débit sur les habitats des poissons et des invertébrés dans les cours d'eau a été élaboré. Le nouveau modèle a été testé sur le réseau fluvial français à l'échelle du tronçon fluvial, en caractérisant le changement d'habitat en saison sèche et humide. Les HCP ont ensuite été agrégés à l'échelle du bassin versant. Après, le nouveau modèle a été généralisé pour permettre une extension globale. Les variables d'entrée du modèle HCP généralisé ont été calculées à partir des bases de données et des modèles existants sur une résolution mensuelle. Les limites, l'incertitude et les perspectives de recherche de la nouvelle approche ont finalement été discutées. / Approximately 65% of inland waters are under moderate or high threat by anthropogenic alteration and climate change. Earth has lost around half of inland water habitats in the last hundred years and global water withdrawal is expected to increase by more than 50% within the next 20 years. In this context, competition for water resources between humans and ecosystems is set to rise at the expense of freshwater-dependent biodiversity. For this reason, nowadays it is imperative to quantify and safeguard water needs of freshwater-dependent ecosystems.As a global tool to support decision-making, in life cycle assessment (LCA) several models for life cycle impact assessment (LCIA) of water consumption on ecosystems have been proposed. One important flaw of current LCIA models, whether they are mechanistic or non-mechanistic, midpoint or endpoint-oriented, is their limited consideration of environmental water requirements (EWR). For this reason, existing approaches for EWR assessment have been investigated to evaluate potential benefits of better including ecohydrological principles in LCIA on ecosystems.This enabled the definition of the concept of freshwater habitat within the boundaries of LCIA and the development of a framework for the application of habitat simulation methods in LCIA modeling. A midpoint habitat change potential (HCP) indicator assessing the impact of flow alteration on instream habitats of fish and invertebrates was developed. The new model has been tested on the French river network at the river reach scale, characterizing habitat change in wet and dry seasons. HCPs were then aggregated at watershed scale. The new model was subsequently generalized to allow global extension. Input variables of the generalized HCP model have been calculated from existing databases and models on a monthly resolution. Limitations, uncertainty and research perspectives of the new approach are discussed.

L’analyse de cycle de vie des bâtiments (ACV) permet d’évaluer les impacts environnementaux associés à une construction sur l’ensemble de son cycle de vie mais aussi d’aider à choisir les variantes les plus durables dans une démarche d’écoconception. De nombreuses sources d’incertitudes pèsent sur la modélisation environnementale des bâtiments. L’objectif de cette thèse est de proposer une méthodologie pour les prendre en compte et ainsi progresser vers une fiabilisation de l’ACV des bâtiments. Les éléments du modèle qui ont le plus d’influence sur les résultats, et qu’il serait utile de connaître de manière plus précise sont identifiés à l’aide de méthodes d’analyse de sensibilité (AS). Les temps de calcul peuvent être longs pour ces méthodes alors qu’en conception, un temps limité est généralement consacré aux études d’ACV des bâtiments. Plusieurs AS sont comparées en termes de compromis temps de calcul / précision. L’effet des incertitudes sur le choix d’une variante bâtie est étudié en appliquant une méthodologie intégrant des AS et des analyses d’incertitude (AI) adaptées au contexte de comparaison de variantes. Cela permet de rechercher des améliorations d’un projet à un niveau de confiance donné en se concentrant sur les indicateurs environnementaux pour lesquels le choix d’une variante affecte significativement les résultats. La démarche de quantification des incertitudes proposée peut être appliquée au cycle de vie complet de bâtiment et prendre en compte des sources d’incertitudes variées rencontrées en ACV des bâtiments. Les méthodes employées ont été intégrées à une plateforme d’écoconception intégrant des outils de simulation énergétique dynamique (SED) et d’ACV. / Building life cycle assessment (LCA) is a tool used to assess the environmental impact of a construction over its entire life cycle, and to help choosing the most sustainable building alternative in an ecodesign context. Many uncertainty sources arise in the environmental modelling of buildings. The aim of this thesis is to propose a methodology to take them into account and to progress towards more reliable building LCA tools. Model inputs and parameters having the most influence on the results and that should be more precisely known were identified using sensitivity analysis (SA) methods. The calculation time required for the application of these methods may be long, whereas a limited time is generally available to conduct a building LCA study. Several SA methods were therefore compared in terms of a calculation time / precision compromise. The effect of uncertainties on the choice of a built alternative was studied using SA and uncertainty analysis (UA) that are suitable in the context of variants comparison. In that way, the environmental improvements of a project are chosen at a given level of confidence and focusing on the environmental indicators for which the choice of an alternative affects the results significantly. The proposed uncertainty quantification process is applicable to the whole building life cycle and makes it possible to take into account various uncertainty sources arising in building LCA. The used methods were integrated into an ecodesign platform consisting in a dynamic building energy simulation (DBES) and an LCA tool.

Maintenir la qualité des ressources en eau est l'un des défis majeurs auxquels la société d’aujourd’hui doit faire face. Il est donc primordial que ce critère soit intégré correctement dans les méthodes d’analyse d’impacts environnementaux, tel que l’Analyse du Cycle de Vie (ACV). Cependant, l’estimation de la qualité de l’eau et la manière dont cette information est utilisée dans les modèles d’évaluation d’impacts soulève un certain nombre de challenges méthodologiques, d’où la problématique de recherche : « Comment considérer la qualité de l’eau dans l’évaluation des impacts de l’utilisation de l’eau en ACV, de l’inventaire aux Aires de Protection ? ». Ce travail de thèse propose dans un premier temps une étude approfondie du rôle et de la nécessité de l’information « qualité de l’eau » dans l’évaluation des impacts de plusieurs type d’utilisation d’eau (usage consommatif, dégradatif et amélioration de la qualité). Cette étude s’applique aux différentes chaines de causalité de manière mécanistique, jusqu’aux trois Aires de Protection (AoP) santé humaine, qualité des écosystèmes et ressources naturelles. Afin d’améliorer la compréhension et la considération des impacts de l’utilisation de l’eau sur l’AoP ressources naturelles, un cadre théorique consensuel élaboré en collaboration avec WULCA (le groupe Water Use in LCA, de l’UNEP-SETAC Life Cycle Initiative) est défini. Ce cadre fournit une base solide pour l’élaboration cohérente de méthodes d’analyse d’impacts, permettant d’évaluer la diminution irréversible de la disponibilité physique de l'eau douce et/ou de son degré d'utilisabilité pour les générations futures. La thèse se conclut par le développement d’un modèle de caractérisation d’impacts de la dégradation des ressources en eau causée par des émissions. Des facteurs de caractérisation sont calculés pour cinq métaux, au niveau midpoint. L’application de ces indicateurs permet d’améliorer l’interprétabilité des résultats concernant les défis futurs liés aux ressources en eau ainsi que les résultats des impacts sur la santé humaine liés aux problèmes de qualité d’eau / Maintaining the quality of water resources is one of the major challenges society faces today. It is therefore essential that this criterion be properly integrated into environmental impact assessment methods, such as Life Cycle Assessment (LCA). However, the estimation of water quality and how this information is used in impact assessment models raises a number of methodological challenges; hence, the general research question is “How to consider water quality in water use impact assessment in LCA, from inventory to Areas of Protection?” This thesis first provides a detailed study about the role and necessity of "water quality" information in assessing impacts of different types of water use (consumptive and degradative use, as well as quality improvement). This study applies to the different cause-effect chains in a mechanistic way, in view of the three Areas of Protection (AoP) human health, ecosystem quality and natural resources. In order to improve the understanding and consideration of the water use impacts on the AoP natural resources, a consensual framework, developed jointly with WULCA (Water Use in LCA group of the UNEP-SETAC Life Cycle Initiative), is presented. This framework provides a solid basis for the consistent development of impact characterization models to assess the irreversible reduction in physical availability of freshwater and its quality-based usability for future generations. The thesis ends with the development of a characterization model for water resource degradation impacts caused by emissions. Characterization factors are calculated for five metals at the midpoint level. The application of these indicators improves the interpretability of LCA results regarding future water resource challenges and water-quality related impacts on human health.

Une méthode d'évaluation environnementale de tronçons routiers, modulaire, basée sur l'Analyse de Cycle de Vie et développée au LCPC, a été étendue aux calculs d'impacts et aux matériaux alternatifs. L'objet de cette thèse était de comparer des variantes d'autoroutes interurbaines utilisant des matériaux naturels et alternatifs et d'étendre l'outil associé au milieu urbain, tout en menant une réflexion sur l'accessibilité de l'outil par des non-spécialistes de l'environnement. Les spécificités de conception urbaine ont été implémentées sur une base de dimensionnement classique. L'extension aux matériaux alternatifs a été traitée pour des laitiers de hauts fourneaux. Plusieurs applications à des cas types de chaussées ainsi que des études d'ouvrages sont présentées. Une enquête sous forme d'entretiens et de questionnaires a été réalisée auprès de différents acteurs de la profession, permettant de dégager la place des critères environnementaux au sein du processus décisionnel.

Cette thèse, réalisée dans le cadre d'un contrat CIFRE entre l'entreprise Renault et l'Institut PPRIME (UPR CNRS 3346, ISAE-ENSMA-Université de Poitiers), porte sur les analyses de cycles de vie des carburants et énergies alternatives. Le secteur de la mobilité individuelle fait face à de nombreux défis : réchauffement climatique, pollution urbaine, épuisement des ressources, etc. Par conséquent, différentes alternatives se présentent pour répondre à ces défis : agrocarburants, hydrogène, véhicule électrique, etc. L'AVC permet d'évaluer les impacts environnementaux d'un produit ou d'un système. La thèse porte sur la prise en compte des impacts locaux liés à la production et à la consommation des énergies automobiles alternatives en retenant particulièrement les carburants de référence que sont le diesel et l'essence mais aussi les agrocarburants de première génération et l'électricité. Elle traite en particulier des problématiques de pertinence de ces impacts, notamment en cherchant à établie quels impacts retenir et comment les améliorer (prise en compte de la différentiation entre milieu urbain et milieu rural et entre sources hautes et basses). La seconde partie de la thèse étudie l'impact de l'usage du véhicule, en s'intéressant spécialement aux polluants locaux émis selon la norme de dépollution du véhicule et le cycle de roulage utilisé. Le tout vise à obtenir des résultats d'AVC scientifiquement plus robustes et plus facilement interprétables pour une prise de décision fiable, valide dans la durée et cohérente avec les grands enjeux stratégiques de Renault. Les résultats montrent une empreinte environnementale complexe à analyser : alors que l'électricité renouvelable apporte de vrais gains vis-à-vis des carburants conventionnels, l'électricité fossile possède un bilan mitigé selon l'impact regardé. Par ailleurs, les agrocarburants présentent un bilan globalement négatif vis-à-vis des carburants conventionnels. Enfin, la distinction urbain / rural permet de mettre en évidence les gains sur la santé associés au véhicule électrique.

Aujourd'hui, face à l'épuisement des ressources naturelles et à la menace des changements climatiques, les acteurs souhaitant évaluer la pression exercée sur les ressources naturelles par nos modes de vie, ont besoin d'outils pertinents. L'empreinte écologique pourrait être l'un de ces outils. L'analyse de l'empreinte écologique permet d'évaluer la consommation des ressources naturelles régénératives et les besoins d'absorption des déchets d'une population humaine ou d'une économie donnée, en termes de surface correspondante de sol productif. Elle veut exprimer le degré de dépassement de la capacité de charge de l'écosystème exercé par une société ou une région dans les conditions de technologie et d'organisation sociale actuelles. Si l'on utilise les termes d'offre et demande, cet indice permet de dresser un bilan écologique en comparant la demande (empreinte écologique) et l'offre (biocapacité) en ressources naturelles régénératives. Le calcul de l'empreinte écologique est basé sur la traduction des consommations en surfaces (hectares globaux) de terre et d'eau biologiquement productives utilisées pour produire les ressources consommées et pour assimiler les déchets générés avec les technologies actuelles. Si la méthode est de plus en plus robuste au niveau des calculs d'empreintes nationaux, les calculs d'empreinte de sous-systèmes locaux ne fait pas encore l'objet d'une standardisation. Deux approches pour la transformation de données de consommations en unités de surfaces peuvent être utilisées pour un système donné : - La méthode " basée sur les calculs nationaux " consiste à pondérer les différentes composantes de l'empreinte du pays dans lequel se situe le système étudié par les ratios entre consommations propres au système étudié et consommations nationales. - L'approche par composante se base sur un inventaire direct des consommations à un niveau plus local (région, ville, etc) et par l'utilisation de facteurs de conversion spécifiques. Cette méthode nous semble plus appropriée pour des calculs d'empreinte d'une organisation, mais elle nécessite des adaptations méthodologiques pour rendre plus fiables les calculs à petite échelle (au niveau d'une organisation ou d'un projet). Cette étude vise donc à développer une méthode de calcul d'empreinte écologique en mettant en évidence les intérêts et limites qui peuvent être tirés d'un tel calcul à un niveau 'micro'. Nous avons choisi de travailler sur une activité de travaux publics pour laquelle nous pouvions obtenir les données, afin de montrer les intérêts de l'utilisation de cet indice dans le cadre d'une telle activité. Notre terrain d'application est le projet de mise à 2*2 voies du tronçon de la RN7- RN82 entre Cosne-Sur-Loire et Balbigny, en France.