Le défi des matières premières dans la transition énergétique : modélisation des secteurs de la production d'énergie et du bâtiment

The raw materials conundrum of the energy transition : an energy and building sectors approach

• Auteur / Autrice : Hugo Le Boulzec
• Direction : Olivier Vidal, Sandrine Mathy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 06/07/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la Terre (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Truche
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Florian Fizaine, Emmanuel Hache
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ester Van Der Voet, Francesco Ricci

Mots clés

Mots clés contrôlés

Recyclage

Matières premières

Mots clés libres

Matières premières

Recyclage

Modélisation dynamique

Nexus

Energy supply

Building

Nexus

Raw materials

Recycling

Dynamic modeling

Energy supply

Building

Résumé

Notre société repose sur un large éventail d'installations fournissant des biens et des services. Elles sont composées d’importantes quantités de matériaux, utilisés avec une intensité et une complexité croissantes. La demande en métaux et minéraux de notre société est étudiée dans le domaine de l'écologie industrielle, au sein duquel de nouvelles approches ont émergé, tels que le nexus des ressources et le métabolisme social. La transition énergétique actuelle représente un défi important au sein de ce champ de recherche. Synonyme de changements sectoriels, elle pourrait se traduire par le passage d'une dépendance aux matériaux énergétiques à celle aux minéraux et aux métaux. La dépendance en matériaux de notre société est abordée dans un nombre croissant d'études. Une revue de la littérature a permis d'identifier les principaux enseignements et lacunes dans une sélection d’études publiées entre 2000 et 2021. Cette thèse propose une approche s’inscrivant dans quatre lacunes identifiées: (1) le manque d'études prospectives dans un contexte de transition bas carbone, (2) le manque d'analyse du lien entre énergie et matériaux, (3) le manque de modélisation de certains secteurs et (4) le nombre limité d'études proposant des solutions afin de diminuer les impacts des matériaux. Ce travail s’inscrit dans un projet plus large de modélisation multisectorielle des matériaux : le modèle DyMEMDS (Dynamic Modeling of Energy, Materials Demand and Supply).Dans un premier article publié, nous montrons que le rythme de développement et la faible durée de vie des technologies renouvelables entraînent une augmentation substantielle de la demande en matériaux. Celle-ci reposerait sur des matériaux primaires, le potentiel de recyclage restant limité. Dans un second article soumis, nous réalisons la première modélisation dynamique de la chaîne d'approvisionnement en combustibles fossiles. Nous estimons les besoins en matériaux ainsi que la demande énergétique et les émissions de CO2 associées à leur production de 1950 à 2050 dans deux scénarios. Nous constatons que le gaz est le principal moteur de la demande de matériaux et que l'acier recyclé provenant des infrastructures de combustibles fossiles démantelées pourrait répondre aux besoins cumulés des futures technologies de production d’énergie renouvelable dans certains scénarios. Pour cela, des stratégies ambitieuses de démantèlement sont nécessaires. Dans un troisième article soumis, nous présentons les résultats d'une modélisation dynamique et multirégionale du secteur du bâtiment de 1950 à 2100 dans sept scénarios. L'originalité de ce travail repose à la fois sur l'estimation de la demande en matériaux dans la rénovation thermique, et sur l'analyse du potentiel des matériaux bas-carbone pour réduire la demande énergétique et l'impact environnemental. Nous montrons que la rénovation thermique représenterait une faible part de la croissance de la demande en matériaux, et que l'énergie nécessaire à la production des matériaux de rénovation s'élèverait à environ 1% des économies d'énergie. La consommation d'énergie de la demande de matériaux pourrait remettre en question la faisabilité de certains scénarios, mais le recyclage des déchets de béton et des matériaux bas-carbone pourrait apporter des solutions.Les trois études sectorielles mettent en évidence l'augmentation significative de la demande en matériaux dans les secteurs du bâtiment et de l'énergie en raison de la combinaison de la transition bas-carbone et de la croissance de la population et du PIB par habitant. Cela pourrait se traduire par une augmentation de la demande énergétique et de l'impact environnemental de la production de matériaux. Cette thèse souligne le rôle (1) de la collecte et du recyclage et (2) des matériaux bas-carbone pour améliorer la durabilité de l'utilisation des matériaux. Cependant, des politiques locales et ambitieuses sont nécessaires de toute urgence pour mettre en œuvre ces solutions avec succès.

Our society relies on a wide range of facilities, which provide goods and services. They carry significant amounts of embedded materials, and their intensity and complexity has been increasing over the years. The metals and minerals demand has been widely assessed within the industrial ecology field, and conceptual and transdisciplinary approaches of materials have emerged from the rise of material use (e.g. the nexus behavior of resources and the social metabolism). They aim at deepening the understanding of the interactions between nature and society, as well as within our society. The ongoing energy transition has a significant material challenge in this transdisciplinary research field. It carries changes for all sectors, and a potential shift from an energy materials dependency to a minerals and metals dependency. The material basis of our society is addressed in a growing number of studies. A critical literature review allows to identify the main insights and gaps in a panel of publications displaying material flow analysis of base materials between 2000 and 2021. This work aims at providing further insights on four specific gaps: (1) a lack of prospective studies in a low-carbon context, (2) a lack of analysis of the energy-material nexus, (3) a lack of modeling of some sectors and (4) a limited number of solution-oriented and political-oriented studies. This thesis is included in a larger project of multi-sector material modeling: the Dynamic Modeling of Energy, Materials Demand and Supply (DyMEMDS) model.In a first published article, Olivier Vidal, Cyril François and myself show that the pace of the development and the short lifetimes of renewable technologies creates a substantial increase of the materials demand. It would likely rely on primary materials, as the recycling potential remains limited. In a second article, (Le Boulzec et al., submitted), we conduct the first dynamic modeling of the fossil fuels supply chain and estimate the material requirements and associated energy demand and CO2 emissions from 1950 to 2050 in two transition and baseline scenarios. We find that gas is the main driver of material demand and that recycled steel from decommissioned fossil fuel infrastructures could meet the cumulative need of future low-carbon technologies in some scenarios. Ambitious decommissioning strategies are necessary, in parallel to building the infrastructure of renewable technologies. In a third article, (Le Boulzec et al., submitted) we present the results of a dynamic and multi-regional modeling of the building sector from 1950 to 2100 in seven transition and baseline scenarios. The originality of this work relies on both the estimation of the material weight of thermal renovation, and the analysis of the potential of material engineering to reduce energy demand and environmental impact. We show that thermal renovation would represent a small share of the overall increase of material demand, and the energy to produce renovation materials would amount to about 1% of the energy savings. The energy consumption of base material demand could questions the feasibility of some low-energy demand scenario, but enhanced recycling of concrete wastes and low carbon materials could provide solutions.The three sector studies highlight the significant increase of material demand in the building and energy sectors due to the combination of the low-carbon transition and potentially surging population and GDP per capita. It could translate into growing energy demand and environmental impact of material production. This thesis outlines the role of (1) collect and recycling and (2) low-carbon materials to improve the sustainability of material use. However, local and ambitious policies are urgently required to successfully implement the solutions.