Mise en oeuvre et élargissement d'une méthode d'évaluation de la criticité du cycle de vie à l'aide de techniques informatiques

Implementing and Broadening a Life Cycle Criticality Assessment Method Using Computational Techniques

• Auteur / Autrice : Anish Koyamparambath
• Direction : Guido W. Sonnemann
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés
• Date : Soutenance le 12/07/2023
• 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 : Philippe Garrigues
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Paula Perez-Lopez
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Markus Berger, Christoph Helbig

Mots clés

Mots clés contrôlés

Stabilité politique

Ressources minérales

Analyse du cycle de vie

Mots clés libres

Analyse du Cycle de Vie

Criticité des Ressources Minérales

Conflit Armé

Méthode GeoPolRisk

Life Cycle Assessment

Mineral Resource Criticality

Armed Conflict

GeoPolRisk method

Résumé

L'utilisation des ressources naturelles entraîne des impacts environnementaux importants. L'Analyse du Cycle de Vie (ACV) est un outil précieux pour évaluer ces impacts. Cependant, l'ACV a ses limites dans l'évaluation des impacts sur le système de produits, en particulier pour les ressources naturelles. Les indicateurs ACV mesurent uniquement l'épuisement des ressources minérales. La méthode GeoPolRisk offre une perspective plus complète en évaluant le risque d'approvisionnement et la vulnérabilité socio-économique liés aux ressources naturelles. Les méthodes actuelles se concentrent sur les métaux et les minéraux, mais il est nécessaire d'élargir la portée des évaluations pour inclure un plus large éventail de ressources, tels que les combustibles fossiles. Cette thèse vise à automatiser la méthode GeoPolRisk et à élargir sa portée temporelle, géographique, et à intégrer le risque de conflits armés.La thèse comprend sept chapitres. Le premier chapitre introduit la question de recherche et les objectifs de la thèse, suivi d'une revue de l'état de l'art au chapitre 2. Le chapitre 3 présente une bibliothèque de calcul du GeoPolRisk des métaux pour les pays disposant d'une automatisation de base de données intégrée. Le chapitre 4 élargit le champ de la méthode GeoPolRisk des métaux aux combustibles fossiles et compare le déplacement du risque d'approvisionnement des métaux utilisés dans les batteries vers celui des combustibles fossiles sur deux décennies (1998 à 2018) pour plusieurs pays. Le chapitre 5 présente une méthodologie pour intégrer le risque de conflit lié à l'approvisionnement en minerais et métaux dans l'ACV et l'applique aux importations de ressources minérales vers l'Union européenne et les États-Unis. Dans le chapitre 6, les facteurs de caractérisation de l'indicateur médian GeoPolRisk à 40 flux élémentaires sont calculés et appliqués à des ensembles de données de marché à partir d'une base de données ACV largement répandue, en comparant les résultats avec des méthodes plus établies, à savoir le potentiel d'épuisement abiotique (ADP) et le taux de dissipation moyen (ADR). Enfin, le chapitre 7 fournit une récapitulation de la thèse, y compris des discussions générales et des conclusions spécifiques, couvrant les limites et les forces de la recherche effectuée, et considère et discute des applications supplémentaires et des perspectives futures.Cette thèse contribue à améliorer l'évaluation des ressources naturelles AoP en automatisant la méthode GeoPolRisk et en élargissant son utilité dans des études ACV plus larges. Elle élargit également le champ de la méthode GeoPolRisk en incluant les énergies fossiles et en introduisant le risque de conflit armé comme nouvelle dimension socio-gouvernance des enjeux ESG à la méthode d'évaluation automatisée associée à l'utilisation des ressources naturelles.

The use of natural resources leads to significant environmental impacts. To assess these impacts, Life Cycle Assessment (LCA) is a valuable tool to evaluate environmental damages related to three areas of protection (AoP): human health, ecosystem quality, and natural resources.However, LCA has its limitation in evaluating the impacts on the product system especially in addressing the AoP natural resources. LCA indicators measure only mineral resource depletion. Using criticality assessment methods, such as the GeoPolRisk method, provides an ''outside-in'' perspective on the product system. It takes into account factors such as market concentration and political stability and evaluates supply risk of importing a resource and vulnerability to supply risk, thus addressing socio-economic dimensions of sustainability related to the AoP natural resources.While criticality indicators are useful, current methods focus on metals and minerals. As demand for natural resources continues to increase, it is necessary to broaden the scope of criticality assessments to include a wider range of resources such as fossil fuels. Furthermore, most criticality indicators evaluate the import dependency component of supply risk based on the political stability of the country of origin of natural resources. While political stability is an essential aspect of environmental, social, and governance (ESG) issues in the context of sustainability, it is not the only factor.The main topic of this PhD is expanding the GeoPolRisk method, which is composed of composite indicators with intricate calculations that combine multiple resource, geography, and temporal dimensions. Previous applications of the GeoPolRisk method have been limited to only a few metals and to specific years due to the level of effort to calculate. This limitation has hindered the full operationalization of the method for practitioners.This thesis aims to automate the calculation of the GeoPolRisk method and demonstrate its application by implementing it into a large LCA database using computational and artificial intelligence techniques. Moreover, the research aims to broaden the temporal and geographic scope of existing life cycle criticality method and extend their application to other abiotic resources beyond metals, while also integrating the aspect of armed conflict as a proxy to measure import risk.The thesis comprises seven chapters. The first chapter introduces the research question and objectives of the thesis, followed by a review of the state of the art in chapter 2. Chapter 3 presents a library for calculating the GeoPolRisk of metals for countries with an integrated database automation. The chapter illustrates the supply risk of resources used for manufacturing the electric motor for electric vehicles and a case study of cobalt imports to three hypothetical companies. Chapter 4 broadens the scope of the GeoPolRisk method from metals to fossil fuels and compares the shift in supply risk of metals used in batteries to that of fossil fuels over two decades (1998 to 2018) for several countries. Chapter 5 presents a methodology to incorporate conflict risk of minerals and metals supply into LCA and applies it to mineral resource imports to the European Union and the United States. In chapter 6 characterization factors of the GeoPolRisk midpoint indicator to 40 elementary flows are computed and applied to market data sets from a widespread LCA database, comparing the results with more established methods, that are the abiotic depletion potential (ADP) and average dissipation rate (ADR). Finally, Chapter 7 provides a recapitulation of the thesis, including general discussions and specific conclusions, covering the limitations and strengths of the research done, and considers and discusses additional applications and future perspectives.