Avancées méthodologiques en ACV prospective pour établir des stratégies de bioéconomie durables : focus sur l'objectif et la portée et les phases d'inventaire

Methodological development of prospective LCA towards establishing sustainable bioeconomy strategies : focus on the goal and scope and inventory phases

• Auteur / Autrice : Seung Hye Lee
• Direction : Lorie Hamelin, Ligia Tiruta-Barna
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 31/05/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : TBI - Toulouse Biotechnology Institute, Bio & Chemical Engineering - Toulouse Biotechnology Institute / TBI
• Jury : Président / Présidente : Ludovic Montastruc
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Steven Van Passel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lynda Aissani, Anne Ventura
• DOI : 10.70675/1a38ffc5z14f3z4ed4z9885zc217650d9025

Mots clés

Mots clés contrôlés

Décroissance soutenable

Analyse du cycle de vie

Mots clés libres

ACV prospective

Analyse cycle de vie

Scénarios prospectifs

Inventaires du cycle de vie

Biomasse résiduelle

Aviation durable

Prospective LCA

Life cycle assessment

Future scenarios

Life cycle inventory

Residual biomass

Sustainable aviation

Résumé

L'analyse du cycle de vie (ACV) est un outil largement reconnu pour comparer les impacts environnementaux des technologies nouvelles et existantes afin de soutenir la prise de décision. Bien que la principale raison d'être d'une ACV soit d'anticiper les conséquences des nouvelles décisions d'investissement, de nombreuses ACV ne reflètent pas l'avenir dans lequel ces décisions seront prises et sont basées sur le contexte existant au moment de l'étude. Ceci est vrai tant pour les données de premier plan (système étudié) que pour les données d'arrière-plan (activités génériques). Ces dernières sont le plus souvent issues d'une base de données d'inventaire du cycle de vie et ne sont pas établies par le praticien de l'ACV. Par conséquent, ses attributs prospectifs sont plus susceptibles d'être négligés. Ces dernières années, les chercheurs et les praticiens du domaine ont commencé à reconnaître ce défaut et une variété de méthodes a été développée pour intégrer des données de base prospectives et dépendantes du temps dans l'ACV. Cependant, malgré les nombreuses avancées, la plupart des études existantes se concentrent sur le secteur de l'électricité et de l'énergie et, de plus, ne remettent pas en cause le paradigme décisionnel sous-jacent qui définit la compétitivité des technologies les unes par rapport aux autres en se basant principalement sur des aspects économiques tels que la compétitivité-coût. La première partie de la thèse montre les limites dans les études de scénarios environnementaux mondiaux (7 études et 23 scénarios). En construisant des diagrammes de boucles causales pour chaque étude, les variables ayant le plus grand nombre de connexions causales, les variables ''cause'' et ''effet'', et les relations de cause à effet les plus rapportées dans toutes les études ont été identifiées. Ce travail a révélé que toutes les études examinées partagent une vision du monde limitée où la dimension économique est la considération dominante, influençant la prise de décision et définissant la durabilité future. La transition vers une économie à faible émission de carbone fossile nécessite d'adopter des paradigmes décisionnels différents, où des facteurs autres que les aspects économiques, tels que les aspects sociaux et environnementaux, sont considérés en priorité. Dans le cadre de ce paradigme décisionnel alternatif, des technologies moins rentables peuvent ne pas être écartées ou être classées comme peu prioritaires si elles sont ''efficaces'' dans d'autres dimensions environnementales et sociales. Pour combler cette lacune, la deuxième partie de la thèse propose un cadre pour la sélection systématique des données de base pour les ACV prospectives, au-delà du secteur de l'électricité et de l'énergie, en adoptant des paradigmes décisionnels alternatifs. Cela affecte toute la structure de l'ACV au-delà du simple choix des données de base et le cadre est conçu pour inclure ces interactions, maintenir la cohérence dans les scénarios développés, fournir la transparence et une large opérationnalité pour les praticiens. Une approche modulaire par blocs est proposée en combinant les paradigmes alternatifs avec les composants clés essentiels à la conduite d'une ACV prospective, pour des scénarios cohérents. Dans la troisième partie, une ACV complète est réalisée pour le cas d’un carburant d'aviation durable pour sept voies technologiques dans six scénarios, en utilisant le cadre proposé précédemment. Le processus et les résultats sont comparés aux résultats de l'ACV utilisant une méthode conventionnelle. L'objectif est de démontrer que la sélection des données de l'ACV en raison des paradigmes de prise de décision alternatifs conduit à des résultats très différents par rapport aux résultats de l'ACV dans le cadre du paradigme de prise de décision dominant actuel, prouvant la nécessité de l'utilisation d'un tel cadre qui adopte des paradigmes de prise de décision multiples dans l'ACV.

The transition to a sustainable and low-fossil carbon society requires a variety of investments. Life cycle assessment (LCA) is a useful and widely acknowledged tool for comparing the environmental impacts of new and existing technologies to support the decision making. Although the primary rationale for carrying an LCA is to anticipate the consequences of new investment decisions, many LCAs fail to reflect the future in which these decisions will be operating and are based on the context applied at the time of the study. This is true for both foreground (studied system) and background (generic activities) data. The latter, however, is most often stemming from state-of-the-art life cycle inventory (LCI) database and not established by the LCA practitioner. As a result, its prospective attributes are more likely to be neglected.In recent years, researchers and practitioners in the field have started recognizing this flaw and a variety of methods has been developed to incorporate the aspect of the future to incorporate prospective and time-dependent background data for LCA. However, despite the numerous advancements, most of the existing studies focus on electricity and energy sector and moreover, do not challenge the underlying decision-making paradigm defining the competitiveness of technologies over one another based primarily on economic aspects such as cost-competitiveness.Through the first part of the thesis, the limitations of the existing mainstream future scenarios in global environmental scenario studies (7 studies and 23 scenarios) are shown. Through constructing causal loop diagrams for each reviewed study, the variables with the greatest number of causal connections, the “cause” and “effect” variables, and the most reported cause-effect relationships across all studies were identified. Moreover, the study found that all the reviewed studies share a limited worldview where the economic dimension is the dominant consideration, influencing the decision-making and defining future sustainability.In a future that enables a transition to a low-fossil carbon economy, there is a need for different decision-making paradigms, where factors other than economic aspects, such as social and environmental aspects, are considered in priority for decision-making. Under this alternative decision-making paradigm, less profitable technologies may not be discarded or be classified as low priority if they are “efficient” in other environmental and social dimensions.To bridge this gap, the second part of the thesis proposes a framework for systematically selecting background data for prospect LCAs by adopting alternative decision-making paradigms. This affects the whole LCA structure beyond the mere choice of background data and the framework is designed to include these interactions, keep consistency in the developed storylines, provide transparency and broad operationality for LCA practitioners and applicable beyond the electricity and overall energy sector. A modular block approach is demonstrated by combining the alternative decision-making paradigms with the key components critical in conducting prospective LCA, which forms scenarios with consistent storylines.Furthermore, in the third part of the thesis, an extensive full LCA is performed for the sustainable aviation fuel case study for seven technological pathways under six scenarios , using the previously proposed framework. The process and the results are compared with LCA results using a conventional method. The aim is to demonstrate that the difference made in LCA data selection due to alternative decision-making paradigms leads to highly different results compared to LCA results under the current mainstream decision-making paradigm, proving the necessity of the use of such a framework that adopts multiple decision-making paradigms in LCA.