Parkings souterrains. Partie 2 | Analyse du cycle de vie

Les villes se sont considérablement développées, ce qui a entraîné une augmentation de la densité des constructions et une raréfaction de l'espace. Dans de nombreuses villes européennes, la mobilité repose encore principalement sur les voitures individuelles et les problèmes inhérents qui en découlent : embouteillages et rareté des places de stationnement. Les mentalités évoluent, mais actuellement, les parkings de voitures souterrains (PVS) semblent être la solution adoptée dans les zones urbaines densément peuplées.

Une première étude de marché réalisée par Royal Haskoning DHV, un bureau d'ingénieurs-conseils néerlandais, a comparé en 2018 plusieurs alternatives pour construire les rideaux de soutènement d'un PVS dans des conditions de sol typiquement néerlandaises. Leur conclusion est que, pour un PVS de 2 à 3 niveaux, un rideau permanent de palplanches acier est jusqu'à 50 % plus rentable que la deuxième meilleure solution de sa catégorie, un rideau de pieux sécants, et encore plus par rapport à d'autres solutions (cutter soil mix, paroi moulée). En outre, son temps d'exécution est également beaucoup plus rapide.

Plus tard en 2019, ArcelorMittal a engagé Witteveen & Bos (W+B), un autre bureau d'ingénieurs néerlandais, pour approfondir ce sujet et préparer une analyse plus détaillée de quatre alternatives pour la construction du rideau de soutènement d'un PVS standard. Les résultats de l'analyse technique et financière sont détaillés dans la première partie de cette brochure.

Cette deuxième partie traite de l'impact environnemental des différentes solutions, en se concentrant sur le potentiel de réchauffement global (PRG), qui peut être considéré dans ce cas comme l'équivalent de l'empreinte carbone. L'impact sur l'environnement est déterminé par une analyse du cycle de vie (ACV) basée sur le devis quantitatif préparé par Witteveen & Bos et réalisée par le département R&D d'ArcelorMittal. Il a été évalué par l'organisation de recherche néerlandaise TNO, agissant en tant qu'expert indépendant. L'objectif était de comparer le coût total du cycle de vie, y compris les charges ou les avantages de la phase de fin de vie, à savoir le démantèlement et le recyclage des éléments de construction. Aucune réutilisation n'a été envisagée.

DEP & ACV

Une étude de cas simple mais réaliste a été réalisée afin de permettre une comparaison solide entre un rideau de palplanches acier et d'autres solutions. L'étude de cas est basée sur la géométrie hypothétique d'un parking de voitures souterrain (PVS) de 250 mètres de long par 30 mètres de large, avec deux niveaux sous le niveau du sol, qui serait construit dans la ville d'Amsterdam aux Pays-Bas. 

Les structures de soutènement suivantes ont été analysées : 

• rideau de soutènement en palplanches acier (SSP) ;
• paroi en soil-mix (CSM), également connue sous le nom de mélange de sol profond dans d'autres pays ;
• rideau de pieux sécants ;
• paroi moulée (rideau D). 

La section transversale de la solution de palplanches acier est illustrée à la figure 1. La longueur des rideaux de soutènement varie légèrement selon l'alternative. Le système de butonnage et les autres éléments (dalles,...) sont assez similaires pour toutes les solutions, de sorte que, par simplification, Witteveen & Bos ont sélectionné les mêmes éléments pour les quatre méthodes de construction. Par conséquent, seuls les rideaux de soutènement diffèrent dans cette étude.

Objectif de l'étude

L'étude a été réalisée pour être conforme aux normes ISO 14040 et ISO 14044. Les données sur les matériaux sont basées sur des DEP conformes à la norme EN 15804 et l'ACV globale de l'infrastructure, bien qu'en principe non applicable, s'inspire de la méthodologie EN 15978. 

L'objectif principal de l'étude est d'évaluer l'influence d'une solution structurelle sur les émissions de CO₂-eq. en tenant compte du cycle de vie de la structure d'un parking de voitures souterrain. Elle propose une comparaison de quatre solutions alternatives par le biais de l'ACV.

Le coût total du cycle de vie est le principal indicateur ; par conséquent, après la durée de vie utile, la démolition, la récupération des éléments structurels, la réutilisation, le recyclage et la mise en décharge doivent être envisagés chaque fois que cela est techniquement possible. 

Le groupe cible du rapport comprend les investisseurs privés, les autorités publiques, les ingénieurs et les architectes qui peuvent ne pas être familiarisés avec la complexité d'une approche d'ACV. Le rapport a donc été rédigé à dessein sous une forme assez simple et claire. Les experts d'ArcelorMittal peuvent fournir plus de détails techniques sur les informations et les données de base.

Économie circulaire

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 allemandes ou européennes ont été utilisées. Il convient de noter que certaines coupures inhérentes peuvent être effectuées dans les données, mais toutes les données figurant dans les DEP sont conformes aux normes européennes.

Les palplanches acier sélectionnées sont fabriquées dans l'usine 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 spécificités du projet. C'est pourquoi un outil Excel a été développé par le département R&D.

Les barres d'armature peuvent être livrées à partir de n'importe quelle usine en Europe, d'où la difficulté de choisir une usine spécifique. Dans ce cas, la meilleure option est de considérer une DEP et de calculer une distance moyenne entre les usines couvertes par la DEP et le chantier. 

L'acier de construction, tel que les poutrelles en H utilisées pour renforcer la paroi CSM et le rideau de pieux sécants, serait fabriqué dans l'une des usines du Luxembourg (Belval ou Differdange). Une DEP pour des poutres en acier fabriquées à Differdange a été sélectionnée.

On suppose que le béton est fabriqué dans une usine proche de la ville d'Amsterdam. Des DEP allemandes spécifiques pour le béton, avec et sans module D, ont été utilisées. L'utilisation d'une DEP néerlandaise peut introduire un biais car les DEP néerlandaises incluses dans la base de données néerlandaise officielle (Nationale Milieu Database, NMD) sont généralement élaborées avec un logiciel différent et basées sur un inventaire du cycle de vie différent (ecoinvent).

Monétisation

La monétisation est une approche communément et politiquement approuvée pour refléter la position des acteurs économiques face au réchauffement global 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 pour 1 tonne de CO₂-eq. est fixée à 50 € aux Pays-Bas, et dans une fourchette en Belgique (jusqu'à 100 €). Ce facteur de pondération est utilisé pour multiplier la teneur en CO₂-eq. calculée.

Aux Pays-Bas, la méthode aboutit à un indice global appelé MKI (ICE en français). Il prend en compte un total de 11 indicateurs environnementaux, dont certains ne sont pas requis dans les DEP européennes standard (par exemple, les indicateurs toxicologiques) et les facteurs de pondération pour chaque indicateur. En outre, la méthode subdivise les données environnementales 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 supplémentaire afin de tenir compte de la moyenne et de la diffusion des données génériques.

Aux Pays-Bas, le facteur de pénalisation est de 30 %. 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. Les données de la catégorie 2 contiennent par exemple des DEP collectives, c'est-à-dire des données concernant un produit spécifique mais produit par plusieurs fabricants, ou une DEP couvrant plusieurs produits fabriqués par un seul fabricant. Il convient toutefois de noter que cette approche présente une faiblesse : dans certains cas, il peut être plus avantageux d'utiliser des données génériques (catégorie 3) qu'une DEP spécifique ayant un impact environnemental très élevé !

Bentonite et distance de transport pour le béton

Le volume d'eau utilisé pour créer la bentonite afin de soutenir les tranchées / trous temporaires de la paroi moulée et de la paroi de pieux sécants est pris en compte dans la phase A5 (installation). En raison du manque de données et d'informations, le traitement de l'eau sur le site après l'extraction de la bentonite n'a pas été pris en compte dans les calculs actuels. Les résultats ont été réévalués sans tenir compte des volumes d'eau, et conduisent à une réduction de l'écart entre les émissions de CO₂-eq. de moins de 1 %.

Le module de transport A4 contribue à moins de 1 % de la valeur totale sur le périmètre considéré. Bien que la distance de livraison de 10 km pour le béton puisse être faible, doubler ou même tripler la distance n'aurait pas changé la conclusion entre les solutions en béton et la solution acier.

Scénario de fin de vie - excluant les modules C3 & D

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. Le fait est que pour les solutions en béton et la paroi en soil-mix, le scénario de base ne tenait déjà pas compte des modules C3 et D car ces structures ne seraient pas démolies. 

La figure 6 montre une augmentation de la différence entre la solution acier et les trois autres solutions, qui passe par exemple de 88 % à 144 % par rapport au rideau du soil-mix. Ceci est principalement dû au fait que pour les palplanches EcoSheetPile, le module D entraîne une charge, alors que pour les autres solutions, il était déjà ignoré.

Scénario de 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 au cours de la phase d'utilisation peuvent avoir une influence significative sur ce paramètre. Lorsque des mesures locales précises à long terme ne sont pas disponibles, il est habituel d'adopter les taux de corrosion proposés au chapitre 4 de la norme EN 1993-5. Toutefois, aux Pays-Bas, il est d'usage d'utiliser les valeurs recommandées dans le manuel CUR 166. Pour l'acier enfoui dans le sol, la perte de corrosion par face peut être estimée à 0,012 mm/an, ce qui conduit à une perte d'environ 137 tonnes d'acier sur une durée de vie de 100 ans (aucune corrosion ne se produit sur la surface protégée par la peinture).

Les taux de réutilisation et de recyclage des EcoSheetPiles DEP ont donc été adaptés à 0 % de réutilisation, 84,2 % de recyclage et, par conséquent, 15,8 % de mise en décharge. Ce scénario le plus défavorable pour le rideau de palplanches acier (rideau SSP) réduit l'écart de PRG entre le rideau de palplanches acier et les autres solutions, c'est-à-dire qu'il passe de +88 % (scénario de base) à +35 % (voir figure 7).

Scénario de fin de vie - déconstruction et recyclage de la paroi moulée et du rideau de pieux sécants

Ce scénario considère que la partie du rideau en béton et son armature au-dessus du niveau d'excavation (-10,5 m) seront démolis après la durée de vie utile, et que la partie complètement encastrée (3,5 m) sera laissée en place. Actuellement, ce scénario est techniquement improbable, mais il pourrait être imaginable à l'avenir. Il s'applique à la paroi moulée et au rideau de pieux sécants. La paroi en soil-mix ne peut pas être démolie puisqu'elle consiste à renforcer le sol existant ; bien qu'une technique d'extraction des poutres en acier d'armature puisse être développée à l'avenir, elle n'a pas été considérée comme une option dans cette étude. 

La prise en compte de la fin de vie et des modules de recyclage des DEP des solutions en béton réduit l'écart entre le rideau de palplanches et les structures en béton d'environ 5 % à 10 %, voir la figure 8.

Influence du profil de la palplanche acier

Ce scénario analyse l'influence du profil de la palplanche choisi sur les résultats. Actuellement, plusieurs profils équivalents de différentes séries de palplanches peuvent être utilisés pour la même structure de soutènement. Les profils plus larges de la gamme AZ-800 sont plus légers et peuvent généralement être installés plus rapidement, mais le choix doit également tenir compte des critères d'enfoncement, qui dépendent principalement de la nature du sol, de la longueur du pieu, etc. L'étude a comparé deux profils, l'AZ 20-800 et l'AZ 20-700 (choix original dans le rapport de Witteveen & Bos). Le tableau 1 ci-dessous présente la nomenclature des matériaux pour les deux profils. À noter que l'AZ 20-800 a une largeur de 800 mm contre 700 mm pour l'AZ 20-700, et une hauteur différente, ce qui entraîne une différence de longueur de soudure et de surface à traiter (et de masse).

L'écart entre le rideau de palplanches acier et les autres solutions se réduit de moins de 10 %, ce qui confirme la tendance globale du scénario de base.

Influence de la peinture de protection incendie

Ce scénario analyse l'influence de la peinture de protection incendie choisie sur les résultats. Le scénario de base utilise PROMASPRAY® P300, et FIBROFEU® est un revêtement pulvérisé avec une performance de protection contre le feu équivalente. Le revêtement par pulvérisation est également appliqué à la paroi en soil-mix, de sorte que leur incidence sur les deux solutions est assez similaire, voir la figure 10. 

L'écart entre le rideau de palplanches acier et les autres solutions en béton se réduit de 30 % à 40 %. Malgré l'empreinte carbone nettement plus élevée de ce produit alternatif, la tendance globale du scénario de base ne serait pas modifiée.

Influence des différents scénarios sur le PRG du rideau de palplanches

Cette section résume la variation du PRG du rideau de palplanches acier en fonction des hypothèses des différents scénarios. La figure 11 montre clairement que, pour le type de structure évalué, la perte d'épaisseur d'acier due à la corrosion a la plus grande influence. L'augmentation du PRG due à la corrosion s'élève à près de 40 %. 

Remarque : pour l'acier fabriqué par la voie secondaire (recyclage de ferraille d'acier dans un four à arc électrique), l'omission de l'étape au-delà de la fin de vie (module D) peut conduire à une réduction significative de son empreinte carbone (-23 % dans cette étude de cas) ! Il s'agit d'un inconvénient de certains modèles d'ACV.

Conclusions

L'analyse de sensibilité réalisée confirme la robustesse des modèles et des hypothèses retenues dans le scénario de base. Dans tous les cas, l'empreinte carbone (exprimée par le PRG) de la solution des palplanches acier est toujours inférieure. La différence varie selon l'alternative et dépend également du scénario. 

Par rapport aux rideaux de palplanches acier, la fourchette d'augmentation du PRG pour les scénarios extrêmes est indiquée dans le tableau 2.

Les DEP sont actuellement un outil qui, d'une certaine manière, permet une évaluation équitable et transparente de l'impact environnemental d'un produit ou d'un service spécifique. En tant que fabricant, nous pensons que si elle est utilisée correctement, une ACV basée sur des DEP évaluées par des pairs conformément à la norme EN 15804 est une excellente méthode pour comparer différents produits et/ou plusieurs alternatives. Les investisseurs peuvent sans aucun doute encourager les fabricants à améliorer leur compétitivité (c'est-à-dire la productivité, les nouvelles technologies de production) afin de réduire leur impact sur l'environnement en accordant une incitation financière aux solutions ayant le plus faible impact sur l'environnement pour chaque projet. Cette approche est déjà mise en œuvre dans certains pays européens pour les marchés publics.

Malheureusement, nous avons également remarqué que toutes les DEP n'ont pas été rédigées avec la qualité et l'évaluation équitable que l'on peut attendre d'un tel document, et pire encore, dans certains cas, elles peuvent être trompeuses. Les DEP doivent être élaborées par des experts en environnement qui sont également spécialisés dans l'industrie à laquelle la DEP s'applique, afin d'éviter les hypothèses erronées ou de passer à côté de certains processus clés.

Les DEP génériques sont un bon outil pour comparer les alternatives, comme dans cette étude de cas de PVS, une structure en acier par rapport à des structures en béton et à une structure en soil-mix, à un stade de faisabilité ou de conception par exemple. Mais lorsqu'il s'agit de comparer des alternatives au stade de l'appel d'offres, une DEP spécifique du fabricant du produit est la plus appropriée et devrait être exigée. Un produit qui a un impact important sur le résultat de l'ACV, mais qui n'est pas couvert par une DEP spécifique, doit être pénalisé, par exemple en utilisant un facteur de pondération sur ses indicateurs d'impact environnemental par rapport à une DEP spécifique d'un produit fabriqué selon le même processus, ou par rapport au produit le plus performant de sa catégorie.