Prise en compte de la dissipation de ressources minérales en analyse du cycle de vie : amélioration des concepts et développement de méthodes d’évaluation d‘impact pour 61 métaux

Addressing the dissipation of mineral resources in life cycle assessment : Improving concepts and development of impact assessment methods for 61 metals

• Auteur / Autrice : Alexandre Charpentier Poncelet
• Direction : Guido W. Sonnemann
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés
• Date : Soutenance le 30/11/2021
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences Moléculaires (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Cécile Bulle
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guido W. Sonnemann, Cécile Bulle, Jo Dewulf, Markus Berger, Philippe Loubet, Bertrand Laratte, Steven B. Young, Stéphanie Muller
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cécile Bulle, Jo Dewulf

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métaux

Environnement

Ressources minérales

Analyse du cycle de vie

Mots clés libres

Analyse du cycle de vie

Dissipation

Ressources minérales

Métaux

Impacts environnementaux

Aire de protection ressources naturelles

Life cycle assessment

Dissipation

Mineral resources

Metals

Environmental impacts

Natural resources area of protection

Résumé

Les flux dissipatifs de ressources minérales sont au cœur de l'évaluation de l'impact environnemental, car ils sont nocifs pour l'environnement et représentent un gaspillage de ressources non renouvelables. L'analyse du cycle de vie (ACV) est un outil d'évaluation environnementale reconnu encadré par les normes ISO 14040/44, visant généralement à prévenir les impacts sur trois aires de protection: la santé des écosystèmes, la santé humaine, et les ressources naturelles. Traditionnellement, l'impact de l’extraction sur l’épuisement des ressources minérales a été évalué pour mesurer l’impact sur l’aire de protection ressources naturelles. Cependant, les tendances récentes des discussions au sein de la communauté ACV suggèrent que la dissipation des minéraux peut être plus pertinente à évaluer, car elle représente la perte réelle de matériaux qui ne sont plus accessibles pour une utilisation future, alors que l'épuisement des stocks géologiques peut en fait être considéré souhaitable tant et aussi longtemps que les ressources minérales restent accessibles pour une réutilisation future.Cette thèse a pour objectif d'améliorer la prise en compte des flux dissipatifs de ressources minérales dans le cadre de l'ACV, en particulier sur l’aire de protection des ressources naturelles. D'une manière générale, deux thèmes sous-jacents sont inclus dans l'objectif: améliorer la compréhension des impacts de l'utilisation des ressources minérales sur l’aire de protection ressources naturelles, et développer une méthode d’évaluation des impacts environnementaux permettant de quantifier ces impacts en relation avec la dissipation des ressources minérales.Nous étudions d'abord les impacts reliant les interventions humaines à l’aire de protection ressources naturelles. Cette étude permet d’établir les liens entre les flux de ressources minérales et l’aire de protection, afin de fournir un cadre cohérent pour évaluer les impacts de l'utilisation des ressources minérales sur celle-ci en utilisant plusieurs méthodes d’évaluation des impacts à la fois. Ensuite, nous explorons les concepts et la terminologie entourant la dissipation et proposons un cadre conceptuel pour aborder la dissipation des ressources minérales en utilisant des données d’analyse de flux de matière dynamiques. Deux options sont identifiées : retravailler les inventaires de cycle de vie actuels pour intégrer les flux dissipatifs et développer une méthode d'évaluation de l'impact du cycle de vie appropriée, ou proposer une méthode d’évaluation des impacts intégrant la dissipation dans le calcul de ses facteurs de caractérisation et qui peut être appliquée directement aux flux d'extraction dans les données d’inventaires actuelles. La deuxième option est retenue pour la suite de la thèse.Des données sont collectées pour 61 éléments métalliques et des résultats d’analyse de flux de matière dynamique sont obtenus pour ces derniers. Nous proposons alors deux méthodes pour mesurer l’impact de la dissipation sur les ressources minérales : le taux de dissipation moyen (ADR, pour « average dissipation rate ») et le temps de service potentiel perdu (LPST, pour « lost potential service time »). A partir des résultats d’analyse de flux de matière dynamique, des facteurs de caractérisation midpoint sont calculés pour 61 métaux. En outre, les facteurs de caractérisation endpoint sont proposés à l'aide d'un indice basé sur les prix. Enfin, les facteurs de caractérisation sont appliqués à un large éventail d'ensembles de données d'inventaires de cycle de vie afin d'observer les tendances à attendre dans les études ACV couvrant la dissipation des ressources minérales en utilisant les méthodes développées. Ces résultats sont comparés à ceux d'autres méthodes fréquemment utilisées pour évaluer les impacts de l’utilisation de ressources minérales.

Dissipative flows of mineral resources are central to environmental impact assessment, since they are harmful to the environment and embody a wasteful use of non-renewable resources. Life Cycle Assessment (LCA) is a recognized environmental assessment tool framed by the ISO 14040/44 norms, typically aiming to prevent damage on three areas of protection (AoP): ecosystem health, human health, and natural resources.Traditionally, the depletion of mineral resources has been assessed to quantify impacts on the AoP natural resources. However, recent trends in discussion within the LCA community suggest that dissipation of minerals may be more relevant to assess, since they represent the real loss of materials that are no longer accessible for future use, whereas the depletion of geological stocks may actually be considered to be desirable for as long as mineral resources remain accessible for further human use.This thesis has the objective to improve the consideration of dissipative flows of mineral resources in the LCA framework, focusing on the AoP natural resources. Broadly speaking, two topics are encompassed within the objective: improving the understanding of the impacts of mineral resource use on the AoP natural resources, and developing a life cycle impact assessment (LCIA) method allowing to quantify these impacts in relation to the dissipation of mineral resources.We first investigate the impact pathways relating human interventions to the AoP natural resources. The relation between resource flows and the AoP natural resources is studied in order to provide a coherent framework to assess the impacts of mineral resource use on the AoP using multiple LCIA methods at once. Then, we explore concepts and terminology surrounding dissipation and propose a conceptual framework to address the dissipation of mineral resources based on dynamic material flow analysis (MFA) data. Two options are identified: reworking current life cycle inventories to integrate dissipative flows and develop a life cycle impact assessment (LCIA) method accordingly, or propose a LCIA method that integrates dissipation in the calculation of its characterization factors that can be applied to extraction flows in the current inventories. The second option is further developed in this thesis.In order to develop LCIA methods, data is collected for 61 metallic elements and dynamic material flow analysis results are computed for them. We then propose two methods to measure the impact of dissipation on mineral resources: the average dissipation rate (ADR) and the potential service time lost (LPST). Based on the dynamic material flow analysis results, midpoint characterization factors are calculated for 61 metals. In addition, endpoint characterization factors are computed using a price-based index. Finally, the characterization factors are applied to a wide range of life cycle inventory datasets in order to observe the trends to be expected in LCA studies covering the dissipation of mineral resources using the developed methods. These results are compared to those of other frequently used LCIA methods to address the impacts of mineral resource use.