Ports durables
Analyse du cycle de vie
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Construire un port durable : analyse d'impact environnemental
Avant de construire une nouvelle structure, il est judicieux d'examiner la possibilité de prolonger la durée de vie des structures existantes. C'est la meilleure option d'un point de vue environnemental, mais le plus souvent, les anciennes structures doivent être modernisées. Par conséquent, seule une analyse économique et environnementale peut aider le propriétaire à prendre une décision éclairée. Mais lorsqu'il s'agit d'augmenter le niveau de dragage pour accueillir des navires à plus fort tirant d'eau, ou lorsque les structures existantes sont proches de la rupture, la construction d'un nouveau mur de quai peut être la seule alternative viable.
La question est de savoir comment construire un port durable ?
ArcelorMittal a chargé Tractebel, un bureau d'ingénieurs-conseils belge indépendant, d'analyser ce sujet aux multiples facettes. Les ingénieurs ont proposé de se concentrer sur trois indicateurs clés : les critères techniques, financiers et environnementaux. Leur tâche consistait à comparer trois solutions techniques différentes pour les indicateurs ci-dessus. La structure sélectionnée est un terminal de croisière capable d'accueillir les plus grands navires de croisière. Il serait construit dans un port belge, avec un tirant d'eau de 13 m dans des conditions de sol et de chargement typiques pour un port belge.
L'analyse du cycle de vie (ACV) est basée sur le devis quantitatif préparé par Tractebel et a été réalisée par le département R&D d'ArcelorMittal. Il a fait l'objet d'une évaluation par un groupe d'experts. L'objectif était de comparer le coût total du cycle de vie sur le site , y compris les charges ou les avantages de la phase de fin de vie, c'est-à-dire le démantèlement et le recyclage des éléments du bâtiment, mais aucune réutilisation n'a été envisagée.
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Pour ce type d'application, l'ACV est une méthode raisonnablement équitable et transparente pour comparer différentes solutions et différents fournisseurs. Bien que les normes ISO et EN ne l'exigent pas, une ACV est plus précise et plus réaliste lorsqu'elle utilise des données spécifiques des déclarations environnementales de produits (DEP) des producteurs plutôt que des données génériques provenant de bases de données.
Le choix d'une solution doit tenir compte de plusieurs indicateurs clés, le principal étant le coût de construction (y compris la conception).
L'indicateur environnemental clé analysé dans ce cas est l'empreinte carbone ; son impact pour le scénario de base est résumé dans le graphique ci-dessous pour un mur de 200 m de long. Cet indicateur peut être inclus dans un schéma permettant de choisir la solution la plus durable (offre économiquement la plus avantageuse), comme la méthode de monétisation utilisée aux Pays-Bas qui est basée sur plusieurs indicateurs clés.
Dans cette étude de cas, la conclusion est que le rideau de palplanches acier EcoSheetPile™ a l'empreinte carbone la plus faible, la différence étant de 44 % par rapport à la paroi moulée. Une analyse de sensibilité a montré que la modification de certains paramètres n'avait pas d'incidence significative sur le chiffre susmentionné et n'inversait en aucun cas le résultat.
Note :
les conclusions ne peuvent pas être simplement transposées à d'autres situations, ni à d'autres pays, sans l'application de facteurs de correction adéquats.
Introduction
Le rideau de palplanches est conçu avec un profil standard AZ 46-700N de 24,5 m de long, en nuance d'acier S 460 AP, et le rideau d’ancrage consiste en un profil AZ 20-800 de 7,5 m de long en S 460 AP. Les deux rideaux sont reliés par des tirants en acier de 30 m de long et d'un diamètre de 64 mm, espacés de 1,40 m (ligne médiane).
La paroi moulée a une hauteur de 25,5 m, une épaisseur de 800 mm et deux ancrages actifs de 22,0 m de long situés à l'altitude +1,0 m.
Il s'est avéré que dans les conditions et hypothèses choisies, le rideau SSP est environ 20% plus rentable que le rideau D, et que le coût du tablier sur pieu est beaucoup plus élevé que les deux autres alternatives. Par conséquent, compte tenu des différences significatives, il a été décidé que l'ACV se concentrerait sur les deux solutions les plus intéressantes d'un point de vue économique : rideau SSP et rideau D.
Bordereau des quantités et analyse du cycle de vie
Le bordereau des quantités obtenu dans le cadre de ce projet de conception sert de base à l'analyse du cycle de vie.
La structure la plus durable peut être déterminée de différentes manières. La méthode de monétisation utilisée aux Pays-Bas a été choisie pour cette analyse.
Plusieurs indicateurs environnementaux clés peuvent être utilisés pour comparer les solutions les plus durables, comme l'ICM dans la méthode néerlandaise. Toutefois, cette ACV se concentre sur le potentiel de réchauffement global (PRG), qui est le principal facteur influençant l'augmentation de la température sur notre planète. D'autres paramètres environnementaux ont été analysés et montrent des tendances similaires à celles du PRG, à l'exception de deux paramètres.
L'ACV a été réalisée par le département R&D d'ArcelorMittal en 2020, et examinée par un groupe de trois experts indépendants. La conclusion des évaluateurs est que le rapport d'ACV a été réalisé de manière professionnelle et impartiale et que les conclusions sont correctes.
La variabilité des paramètres clés peut influencer de manière significative certains résultats ; une analyse de sensibilité des paramètres clés a donc été réalisée et confirme que leur variation a une incidence limitée sur les résultats, mais n'a jamais inversé la conclusion par rapport au scénario de base.
Objectif, champ d'application et hypothèses
Méthodologie
Données
La préférence a été donnée aux sources les plus pertinentes et les plus récentes. La base de données a été constituée à partir des éléments suivants :
- déclarations environnementales de produits (DEP), conformes à la norme EN 15804 et enregistrées dans l'IBU. Ces données sont publiques et examinées par des pairs,
- Gabi Database 2018 pour le transport ainsi que pour les processus sur les chantiers et en cours d'utilisation.
La représentativité et la cohérence des données ont été vérifiées et, dans la mesure du possible, des DEP et des bases de données belges, allemandes ou européennes ont été utilisées. Il convient de noter que certaines coupures inhérentes peuvent être effectuées dans les données, mais que toutes les données contenues dans les DEP sont conformes aux normes européennes.
Les palplanches acier sélectionnées sont fabriquées dans l'aciérie d'ArcelorMittal à Belval, au Luxembourg. Les données relatives aux palplanches acier ont été extraites de la DEP EcoSheetPiles™ d'ArcelorMittal. Il convient de noter qu'étant donné qu'il s'agit d'une ACV réalisée pour un projet spécifique, les valeurs de la DEP ont été adaptées pour correspondre aux hypothèses spécifiques du projet. Un outil simple a donc été développé par le département R&D.
Les barres d'armature peuvent être livrées à partir de n'importe quelle aciérie en Europe, d'où la difficulté de choisir une aciérie spécifique. La meilleure option consiste à prendre en considération une DEP et à calculer une distance moyenne entre les aciéries couvertes par la DEP et le chantier. L'acier de construction tel que les poutres de waler est supposé être fabriqué dans l'une des aciéries du Luxembourg (Belval ou Differdange). Une DEP pour les poutres en acier fabriquées à Differdange a été sélectionnée.
Le béton est supposé être fabriqué dans une usine proche du port d'Anvers. Des DEP spécifiques pour le béton, avec et sans le module D, ont été utilisées.
Transport
L'impact environnemental des modes de transport est tiré de la base de données Gabi de 2018. Il contient plusieurs catégories pour chaque mode de transport, par exemple un « camion articulé avec une charge utile maximale de 27 tonnes, mélange Euro 0-6 ».
L'ACV prend en compte les hypothèses suivantes pour le transport :
- palplanches acier : 250 km par rail - de l'aciérie de Belval (Luxembourg) au port d'Anvers en Belgique,
- barres d'armature : 1400 km par rail - distance moyenne entre les aciéries considérées dans la DEP et Anvers,
- autres éléments en acier : 250 km par rail - de l'aciérie de Belval ou Differdange (LU) à Anvers,
- béton : 10 km par camion - d'une centrale à béton proche du port d'Anvers.
Pratiques de fin de vie
Les palplanches acier et autres éléments en acier de la solution acier sont supposés être récupérés après leur durée de vie. Il est assez rare de réutiliser des palplanches qui ont été utilisées dans un mur permanent pendant 50 ans, c'est pourquoi deux scénarios avec 0 % de réutilisation ont été analysés :
- 95 % de recyclage et 5 % de mise en décharge,
- 99 % de recyclage et 1 % de mise en décharge.
Dans la DEP EcoSheetPiles, les hypothèses retenues sont les suivantes : 25 % sont réutilisés, 74 % sont recyclés et 1 % sont mis en décharge. La méthode utilisée pour adapter les valeurs de la DEP aux scénarios ci-dessus est expliquée en détail dans le rapport.
La paroi moulée n'a pu être démolie que partiellement, de sorte que seule une partie a pu être récupérée et recyclée / mise en décharge. Cette distinction conduit également à deux scénarios différents.
Monétisation
La monétisation est une approche communément et politiquement approuvée pour refléter la position des acteurs économiques face au réchauffement climatique et aux problèmes écologiques. Cette approche n'est pas conforme à la norme ISO 14040-44, mais elle est appliquée en Belgique et aux Pays-Bas. Ce processus méthodologique permet d'évaluer un équilibre juste et approprié entre les impacts environnementaux et les coûts.
Par exemple, la valeur par défaut d'une tonne de CO2-eq. est fixée à 50 € aux Pays-Bas, et dans une fourchette en Belgique (jusqu'à 100 €). Le facteur est utilisé pour multiplier la teneur en CO2-eq. calculée.
Aux Pays-Bas, la méthode conduit à un indice global appelé MKI. Elle prend en compte plusieurs paramètres qui ne figurent pas dans les DEP européennes standard (c'est-à-dire toxicologiques) et des facteurs de pondération pour chaque paramètre.
En outre, la méthode subdivise les données pour l'ACV en trois catégories différentes. La première catégorie correspond à une DEP spécifique pour un produit spécifique (généralement d'un seul fabricant), tandis que la troisième correspond à des données génériques (valeurs moyennes provenant de bases de données ou de fabricants disponibles) et est pénalisée par un facteur de pondération spécifique afin de tenir compte de la moyenne et de la diffusion des données génériques. Par conséquent, les fabricants qui souhaitent que leurs produits fassent partie des données de la « catégorie 1 » doivent élaborer une DEP spécifique pour les Pays-Bas. Il convient toutefois de noter que cette approche présente une faiblesse : dans certains cas, il peut être plus avantageux d'utiliser des données génériques qu'une DEP spécifique ayant un impact environnemental très élevé !
Résultats
En outre, la contribution des phases A1-A3 à l'ensemble du cycle de vie est supérieure à 70 % dans les deux cas (environ 70 % pour la solution des palplanches, environ 90 % pour le béton).
D'autres indicateurs ont été analysés : potentiel d'acidification, éléments du potentiel d'épuisement abiotique, etc. Veuillez vous référer au rapport pour plus de détails. La tendance est similaire à celle du PRG, à l'exception de l'utilisation d'eau douce et du potentiel d'épuisement abiotique fossile, pour lesquels l'impact environnemental est plus important pour la solution acier.
La comparaison des indicateurs montre une différence suffisante entre les deux solutions pour justifier l'affirmation selon laquelle « l'impact environnemental des palplanches acier est inférieur à celui de la paroi moulée ». En effet, en supposant une incertitude de 5 % sur chaque donnée de l'étude, une différence d'au moins 10 % est essentielle pour démontrer une différence claire entre les solutions alternatives. Cette condition est observée pour les indicateurs analysés.
Analyse de sensibilité
Carbonatation du béton en phase d'utilisation
La carbonatation dans le module D est prise en compte, mais elle a été exclue dans le module B1 parce que la majeure partie du béton est immergée, de sorte que la carbonatation du béton pendant la phase d'utilisation dans cette application particulière est hautement improbable. Néanmoins, une évaluation de ce paramètre a été réalisée.
La conclusion est qu'appliqué à l'ensemble du volume de béton, l'écart entre la solution d'acier se réduit de 44 % à 41 %.
DEP du béton
Différentes DEP pour le béton ont été prises en compte dans cette évaluation de sensibilité et, pour confirmer que le mélange d'électricité n'a pas ou peu d'influence sur le PRG du béton, un ensemble de DEP de France et d'Allemagne pour différentes résistances du béton a été choisi : C 30/37 jusqu'à C 50/60.
Un béton plus résistant augmente l'écart entre la solution acier et la solution béton, un béton moins résistant réduit l'écart.
Note : une comparaison avec le béton à base de ciment CEM III n'a pas été analysée en raison de l'incohérence actuelle de l'allocation des scories entre les industries de l'acier et du ciment.
Scénario de fin de vie
L'évaluation de l'influence du scénario de fin de vie est réalisée en ignorant la déconstruction/démolition de la structure pour chaque alternative. Les limites du système sont donc modifiées en supprimant les phases C3 et D.
La figure 7 montre une augmentation de la différence entre la solution acier et la solution béton.
Cela est principalement dû au fait que pour EcoSheetPiles™ le module D entraîne une charge, en raison de la « Net Scrap Value » négative (plus de ferraille est consommée dans le processus de production du FAE que celle disponible pour le recyclage en fin de vie), alors que pour le béton, il est bénéfique grâce à la carbonatation en fin de vie.
Pertes dues à la corrosion
Une perte précise de masse d'acier due à la corrosion est difficilement prévisible car le phénomène de corrosion diffère selon la zone d'exposition et l'emplacement.
Plusieurs effets durant la phase d'utilisation peuvent avoir une influence significative sur ce paramètre. Lorsque des mesures locales à long terme plus précises ne sont pas disponibles, il est habituel de supposer les taux de corrosion proposés au chapitre 4 de la norme EN 1993-5.
Sur la base de cette norme, la perte totale d'acier due à la corrosion s'élève à environ 136 tonnes. Les taux de réutilisation et de recyclage ont donc été adaptés à 0 % de réutilisation, 88,3 % de recyclage et 11,7 % de mise en décharge.
Si la structure en béton ne subit aucun dommage similaire (corrosion des barres d'armature par exemple) au cours de sa durée de vie utile, ce scénario le plus défavorable pour la solution acier conduit à une différence de PRG de +19 %, inférieure aux +44 % du scénario de base (voir figure 8).
Conclusion
L'analyse de sensibilité confirme les résultats du scénario de base dans tous les cas : le PRG de la structure en béton (rideau D) est significativement plus élevé que celui de la solution des palplanches acier, variant de +19 % à plus de +76 % pour les scénarios extrêmes.
Conclusions, limites etamp; commentaires généraux
Observations générales
Les DEP sont actuellement un outil qui, d'une certaine manière, garantit une évaluation équitable et transparente de l'impact environnemental d'un produit ou d'un service spécifique. En tant que fabricant, nous pensons que s'il est utilisé correctement, il s'agit d'un excellent outil pour comparer différents produits et différentes alternatives. Elle incitera les fabricants à améliorer leur productivité et à réduire leur impact sur l'environnement.
Cependant, nous avons également remarqué que toutes les DEP n'ont pas la même qualité et la même évaluation équitable, et qu'elles peuvent parfois être trompeuses. Les DEP doivent être élaborées par des experts en environnement qui sont également spécialisés dans l'industrie pour laquelle la DEP est applicable afin d'éviter des hypothèses erronées ou de passer à côté de certains processus clés.
Les DEP génériques sont un bon outil pour comparer différentes alternatives, comme dans notre exemple, une structure en acier par rapport à une structure en béton, au stade de la faisabilité ou de la conception, par exemple. Mais lorsqu'il s'agit de comparer la solution proposée dans le cadre d'un appel d'offres, il convient d'exiger une DEP spécifique d'un fabricant pour le produit proposé. Un produit qui a un impact important sur le résultat de l'ACV mais qui n'est pas couvert par une DEP spécifique devrait être pénalisé, par exemple en utilisant un facteur de pondération par rapport au produit le plus performant de sa catégorie avec une DEP spécifique.
Disclaimer
L'analyse technique et économique de cette étude de cas a été réalisée par les ingénieurs-conseils belges Tractebel pour ArcelorMittal en 2018. Les hypothèses de conception ont été déterminées pour un terminal de bateaux de croisière dans des conditions de sol typiques des ports belges. D'un point de vue technique, de telles hypothèses simplifiées pour un sol peuvent être utilisées pour une étude de faisabilité ou pour une comparaison de différentes alternatives.
ArcelorMittal insiste sur le fait que Tractebel a réalisé une étude de cas objective et impartiale. L'analyse est une étude de cas purement hypothétique avec ses limites en termes de fiabilité des coûts et des techniques, puisque ces aspects peuvent être très dynamiques sur les marchés et dans les différents sous-sols.
Cette étude de cas n'est pas une conception spécifique à un projet. Par conséquent, ni ArcelorMittal ni Tractebel ne peuvent être tenus responsables des choix effectués dans des projets spécifiques sur la base de la conception ou des conclusions du rapport préparé par Tractebel.
L'analyse du cycle de vie (ACV) a été réalisée en interne par le département R&D en 2020, et a fait l'objet d'un examen par un panel de trois experts indépendants en 2020. La conclusion des examinateurs est que le rapport d'ACV a été réalisé de manière professionnelle et impartiale, et que les conclusions sont correctes. Les paramètres clés ont été soumis à une analyse de sensibilité qui a confirmé le scénario de base ; la variation des paramètres n'a pas inversé les résultats et les conclusions du scénario de base.
Le texte de cette brochure est un résumé de ces deux rapports. Il a été édité afin de se concentrer sur les points clés des rapports avec un minimum d'explications techniques. Bien que le contenu et les conclusions soient conformes aux rapports originaux, les ingénieurs d'ArcelorMittal ont ajouté quelques remarques et commentaires qui complètent les informations contenues dans les rapports originaux. Certaines figures, tableaux et croquis ont été édités, supprimés ou remplacés par de nouveaux préparés par ArcelorMittal. En cas d'erreur de transcription, seuls le texte et les autres éléments des rapports originaux font foi.
Le rapport technique de Tractebel et le rapport d'ACV évalué par les pairs sont disponibles sur demande.
Références
- TRACTEBEL ENGINEERING S.A, Methodic Comparison of Retaining wall solutions, 2018.
- ArcelorMittal Global R&D, LCA methodological report - Comparative study of Steel Sheet Pile and Concrete Slurry Wall in quay infrastructure application, Luxembourg, 2020.
- Solinen & al - panel review of 3 experts, Critical review of the LCA - Comparative study of Steel Sheet Pile and Concrete Slurry Wall in quay infrastructure application, 2020.
- Stichting Bouwkwaliteit, Determination Method - Environmental performance - Buildings and civil engineering works, Rijswijk, 2019.
- ISO, ISO 14040:2006-07 - Management environnemental - Analyse du cycle de vie - Principes et cadre, 2006.
- ISO, ISO 14044:2006+A1:2018 - Management environnemental - Analyse du cycle de vie - Exigences et lignes directrices, 2018.
- CEN, EN 15978:2011. Durabilité des travaux de construction.
- Évaluation de la performance environnementale des bâtiments. Méthode de calcul, Bruxelles, 2012.
- CEN, EN 1997-1:2004+A1:2013. Eurocode 7. Conception géotechnique. Règles générales, Bruxelles, 2013.
- CEN, EN 1993-5:2007. Eurocode 3. Conception de structures en acier. Part 5 : Piling, Bruxelles, 2007.
- CEN, EN 1992-1 (série). Eurocode 2. Conception des structures en béton, Bruxelles, 2004-2019.
- CEN, EN 15804:2012+A1:2013. Durabilité des travaux de construction. Déclarations environnementales des produits.
- Core rules for the product category of construction products, Bruxelles, 2013.
- IBU - Institut Bauen und Umwelt e.V., PCR for Building-Related Products and Services. Partie A - Règles de calcul pour l'analyse du cycle de vie et exigences relatives au rapport de projet - v 1.7, Berlin, 2018.
- Thinkstep (Sphera), base de données Gabi, Berlin, 2018.
- IBU - Institut Bauen und Umwelt e.V., DEP EcoSheetPiles™ » - DEP-ARM-20180069-IBD1-EN, Berlin, 2018.
- EFFC - DFI, EFFC DFI Carbon Calculator Methodological & User Guide v2.1, 2013.
Les ports ont été confrontés à de nombreux défis ces dernières années. D'une part, le trafic maritime n'a cessé d'augmenter, les navires modernes sont de plus en plus grands ; d'autre part, notre planète est aux prises avec les émissions de gaz à effet de serre.
Les ports doivent s'agrandir, construire de nouveaux postes d'amarrage, mais comment atteindre ces objectifs sans nuire à l'environnement ?
