Pour des Analyses de Cycle de Vie des bâtiments fiables, simples et reproductibles Reproductibilité des études d ACV et expérimentation des outils

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1 BENEFIS Pour des Analyses de Cycle de Vie des bâtiments fiables, simples et reproductibles Reproductibilité des études d ACV et expérimentation des outils Contexte L ACV devient un outil pour concevoir et optimiser les bâtiments en permettant aux équipes d évaluer de manière globale leurs choix architecturaux puis, plus en aval le choix des équipements, des vecteurs énergétiques, des produits de construction, etc. L ACV devient également - de plus en plus souvent - un outil pour la certification environnementale des bâtiments, un critère de choix dans les concours ou dans l attribution d aides financières. Cependant, les méthodes de calcul et les normes actuellement utilisées pour réaliser des ACV peuvent être interprétées et mises en pratiques de diverses manières ; Les bases de données et les outils se sont multipliés ces dernières années. Or les acteurs ont besoin de calculs reproductibles et fiables pour faire des choix éclairés. Le projet BENEFIS contribue à lever certains verrous méthodologiques afin de rendre l usage des ACV plus simple, plus accessible aux acteurs et plus fiable. Problématiques liées à la reproductibilité des ACV bâtiments Il existe actuellement de nombreux outils pour réaliser l ACV de bâtiments dont EQUER développé par ARMINES et Izuba Energies et ELODIE développé par le CSTB. Chaque outil comporte son propre jeu de données ACV : données génériques et à inventaires détaillés (EQUER) ou données génériques complétées par des Fiches de Déclarations Environnementale et Sanitaire (ELODIE). Chaque outil est basé sur des règles de calcul parfois différentes pour évaluer l impact environnemental d un bâtiment et les résultats sont exprimés à l aide d indicateurs environnementaux spécifiques. Bilan ENergétique et Environnemental FIable, Simple et reproductible des bâtiments Le projet BENEFIS a pour objectif de proposer des solutions méthodologiques et opérationnelles à l application de l analyse de cycle de vie (ACV) pour l évaluation des performances environnementales des bâtiments. Pour faire entrer cette approche dans le processus normal de conception et amorcer le passage à l approche performancielle, le projet doit faire émerger des outils opérationnels utilisables par tous les acteurs, consolider les pratiques, améliorer la reproductibilité des études et faciliter la compréhension et diffusion des résultats. Projet financé par l ANR Janvier 2012 Décembre 2014 Recommandations en page 5 Ce manque d harmonisation entre les outils d aide à la décision pose-t-il des problèmes en termes de reproductibilité? Par exemple, les choix d écoconception sont-ils différents si l on utilise ELODIE ou EQUER? Est-ce que les résultats chiffrés issus d une étude menée avec EQUER peuvent être comparés à ceux d une étude menée sous ELODIE? Est-ce que les résultats obtenus sont différents selon la personne réalisant l étude 1? La reproductibilité, une affaire collective. BENEFIS a eu pour objectif de proposer aux différents acteurs de la chaine de réalisation des ACV des recommandations pour améliorer la reproductivité des études 2. 1 La reproductibilité entre plusieurs utilisateurs a été reportée dans la note de synthèse Benefis 2.2. Simplification comme elle est aussi reliée aux développements de modes adaptés pour l ACV. 2 Cf. rapport ANR BENEFIS Tâche 2 Méthodologie

2 Méthode L étude de la reproductibilité des études ACV dans le cadre du projet BENEFIS s est attachée à identifier et à comprendre en détail les causes de non-reproductibilité pour être en mesure d adresser des recommandations aux acteurs. Objectif : identifier a priori les aspects importants pour atteindre un niveau satisfaisant de reproductibilité. Sur la base d une description des outils au démarrage du projet, a été établie par le CSTB une grille regroupant près d une centaine d aspects permettant une description fine et formalisée des outils. Cette grille a été documentée pour l outil ELODIE (données d entrée -dont bases de données, méthodologies et hypothèses de calcul, résultats de sortie,). Disponible dans le rapport de BENEFIS 3, cette grille pourra être étoffée ultérieurement (e.g. intégration d autres outils, de nouveaux aspects, appropriation par d autres acteurs, etc.). Ainsi différents sujets et acteurs ont été distingués dans les phases de diagnostic et de rédaction de recommandations : nous avons ainsi séparé les «responsabilités» relatives : - aux utilisateurs des outils (choix des données et hypothèses de calcul), - aux fournisseurs de bases de données, - aux développeurs d outils d ACV bâtiment. En effet, les bases de données(bdd) ACV peuvent être intégrées et/ou utilisées telles quelles dans les logiciels ACV bâtiment ou retraitées (p. ex. sur le choix des hypothèses d allocations d impacts, de prise en compte du stockage de carbone, des indicateurs d impacts). De même, un logiciel peut utiliser une ou plusieurs BDD tout comme il peut utiliser une partie seulement de l ensemble d une BDD (ex. Ecoinvent, base multisectorielle). Dans le cadre de BENEFIS, les liens entre les BDD intégrées au logiciel et BDD amont ont été explicités. De la même façon il nous a semblé intéressant de bien identifier comment les calculs sont effectués dans l outil, dans quelle mesure l utilisateur peut paramétrer les calculs et les données et de quelle manière il est guidé dans ces choix (par ex. fenêtres d explication, alertes, etc.). Par exemple, les données sur les matériaux et produits de construction peuvent être fournies sur le cycle de vie complet avec le détail de chacune des étapes. Suivant les outils et les données, l utilisateur peut être amené à paramétrer les phases de transport, de mise en œuvre, de fin de vie ou au contraire les données étant figées ne pouvoir en modifier aucune. Il est donc utile de préciser comment sont calculées les données pour le cycle de vie complet et comment l utilisateur peut utiliser ces données. 3 Cf. rapport ANR BENEFIS Tâche 2 Méthodologie

3 Réalisation des cas d études répondant à certains usages de l ACV L ACV étant aujourd hui utilisée dans différents cas de figure et avec différents objectifs, plusieurs cas d étude ont été choisis et utilisés pour évaluer les problèmes potentiels à différentes échelles depuis les composants jusqu au bâtiment complet intégrant les processus de consommation d énergie et d eau pendant la vie en œuvre notamment. Tests de reproductibilité appliqués sur différents cas d études o Objectif : tester la sensibilité des données ACV et durées de vie sur le contributeur composants qui peut représenter une part importante de certains indicateurs (p. ex. changement climatique ou déchets non dangereux) 4, 5. Le contributeur composant pour différents systèmes constructifs a été modélisé en utilisant plusieurs jeu de données (données matériaux Ecoinvent et FDES et de plusieurs jeux de données de durées de vie). Le cas d étude d un bâtiment de logements collectifs fourni par Bouygues Construction a été utilisé ici en utilisant trois systèmes constructifs différents : ossature métallique, bois et béton armé. Pour chaque système constructif, les résultats et écarts ont été analysés. Le bâtiment résidentiel (variante béton armé) utilisé pour les études sur le contributeur composants o Objectif : tester la reproductibilité des résultats (écarts en valeur absolue) et des conclusions (classement des variantes) entre les outils, en incluant les bases de données. L ACV a été appliquée sur des maisons individuelles pour comparer différents systèmes constructifs, plusieurs solutions énergétiques et étudier la production locale d électricité. Les partenaires ont d abord vérifié la faisabilité de la méthodologie sur un cas «simple» de bâtiment (issu de la norme ASHRAE Bestest 6 ) puis ont étendu l analyse sur les maisons INCAS de la plate-forme de l INES à Chambéry. Les calculs thermiques ont été effectués avec le même outil (Pléiades+Comfie). Puis, trois comparaisons ont été menées, en considérant une même durée de vie pour les maisons : 1) murs en béton banché, double murs en blocs de béton et ossature bois, 2) chauffage à gaz, à bois et électrique, et 3) maison avec et sans système photovoltaïque. Les maisons passives de la plateforme INCAS, située sur le site d INES au Bourget du Lac utilisées pour les ACV effectuées par le CSTB et ARMINES 4 Lasvaux S., Lebert A., Achim F., Grannec F., Hoxha E., Nibel S., Schiopu N., Chevalier J «Towards guidance values for the whole environmental performances of buildings: application to detached houses in the French context» accepted in Int J Life Cycle Assess. 5 Thiers S. and Peuportier B., Energy and environmental assessment of two high energy performance residential buildings, Building and Environment, Volume 51, May 2012, Pages Déjà utilisé en France pour comparer les codes de simulations thermiques, en particulier Comfie développé par ARMINES et Cometh développé par le CSTB.

4 Principaux résultats obtenus Les résultats d un cas d étude sur les maisons INCAS sont globalement concordants entre les deux outils sur le choix de la meilleure variante notamment pour les indicateurs d énergie primaire et de changement climatique et ce, même si les deux outils ne s appuient pas sur les mêmes bases de données. Des différences peuvent cependant apparaître sur certains indicateurs, comme le montre par exemple le graphe ci-dessous concernant la comparaison des énergies de chauffage : la variante bois est plus impactante pour l ozone photochimique avec Elodie, alors que c est le gaz avec Equer. L analyse détaillée de la répartition par lots des impacts montre toutefois que selon les cas étudiés, des écarts pourraient apparaitre : l'exemple ci-dessous (variante béton banché et chauffage électrique) illustre le fait que les écarts entre outils se sont compensés. 100% Répartition par lots I-BB électricité 100% Répartition par lots I-BB électricité 80% 60% 40% Eau Energie Equipement Toit 80% 60% 40% Eau Energie Equipement Toit 20% 0% Sol Plancher intermédiaire Cloison 20% 0% Sol Plancher intermédiaire Cloison -20% Mur extérieurs Fondations -20% Mur extérieur Fondation Si les résultats comparatifs montrent une certaine homogénéité, les résultats numériques absolus obtenus pour chaque variante peuvent montrer des différences plus significatives d un outil à l autre. Ainsi, l écart à la moyenne sur les valeurs d impacts entre les deux outils différent fortement en ce qui concerne l'ozone photochimique (écarts variant de 74% à 186%) et les déchets radioactifs (43%). Pour le premier, l écart s explique par la simplification des inventaires de cycle de vie et du calcul d impact dans les FDES 7. Pour les déchets radioactifs, les écarts peuvent s expliquer par la conversion des valeurs d'ecoinvent, exprimées en m 3, en kg dans Elodie (les facteurs de conversion ont été 7 Cf. article : Lasvaux S., Schiopu N., Habert G., Chevalier J., Peuportier B. «Influence of simplification of life cycle inventories on the accuracy of impact assessment: application to construction products», Journal of Cleaner Production, 79 (15), 2014, pp

5 fournis au CSTB par Ecoinvent). Pour les autres indicateurs, les écarts restent plus raisonnables variant en moyenne de +/- 5 à 20% pour les indicateurs changement climatique, énergie primaire, consommation d eau et déchets éliminés. Certains indicateurs (notamment les déchets radioactifs ou l acidification 8 ) sont moins simples à harmoniser car plus sensibles aux différences d hypothèses dans les bases de données ACV 9 (p. ex. types de fuels, distances et modes de transport considérés dans les données de production de matériaux, représentativité des procédés etc.). Les rapports BENEFIS des tâches 2 (volet 2.3. reproductibilité) et 4 (volet 4.1 Expérimentations internes, Reproductibilité) présentent l intégralité de ces études de cas. Tableau : Exemple de comparaison des résultats obtenus pour le cas d étude des maisons INCAS Comparaison des variantes Valeurs d'impacts (Electricité) Valeurs d'impacts (Gaz) Valeurs d'impacts (Bois) Class. 1ère Ecarts* Ecarts* Ecarts* Energie primaire totale -7% -2% -5% Consommation d'eau totale -7% -3% -3% Déchets éliminés -15% -16% -9% Déchets radioactifs -35% -30% -29% Changement climatique -11% -13% -1% Acidification atmosphérique -17% -7% -10% Formation d'ozone photochimique -93% -74% -102% * Ecart à la moyenne entre les deux outils :(novaequer-elodie)/moyenne (novaequer ; Elodie) Des problèmes méthodologiques spécifiques peuvent ensuite amener à des écarts parfois importants même pour les indicateurs d énergie primaire et de changement climatique. Une étude de sensibilité sur la variante bois a, par exemple, montré l influence du bilan CO 2 du bois matériau sur les résultats. Les données des FDES de la base INIES se situent entre les données pour le bois certifié et non certifié considérées dans Equer, même si la mise en décharge est considérée en fin de vie dans les deux outils. La variante bois contribue le plus à l'épuisement des ressources avec Elodie, le résultat inverse est obtenu avec Equer. De même, l'hypothèse sur la fin de vie (recyclage ou mise en décharge) du béton peut amener à des résultats très différents mais uniquement pour l indicateur déchets éliminés. Les différences de méthodes de calcul des impacts liés à la production locale d énergie conduisent également à des écarts très importants : de l ordre de 130 à 230% sur les indicateurs de changement climatique et de déchets radioactifs. La nature des paramètres des modèles peut avoir un impact fort sur les résultats des calculs énergétiques, notamment quand on utilise des valeurs par défaut. Le choix d utiliser de telles valeurs, par exemple celles des ponts thermiques issues des règles professionnelles Th-Bât, fait augmenter l'indicateur CO 2 de la variante bois de plus de 20% par rapport à une évaluation par éléments finis. Plus généralement, la complétude et le niveau de détail de la base de données de l outil peuvent amener à des écarts sur les résultats. Par exemple, l'usage d'un proxy pour la chaudière bois dans 8 Ou pour la consommation d eau en périmètre réduit (essentiellement liée à la production des matériaux) 9 Cf. article : Lasvaux S., Habert G., Peuportier B., Chevalier J. «Comparison of Environmental Product Declaration (EPD) and generic data used in building Life Cycle Assessment» submitted to Journal of Environmental Management, 2014.

6 Elodie a entraîné un écart important sur l'indicateur de déchets éliminés, lié au dispositif de stockage du bois (le proxy correspondait à une chaudière gaz). Une fiche a alors été ajoutée sur la base des données Ecoinvent, diminuant l écart. En revanche, la composition des données ACV sur le béton a une très faible influence dans le bilan global des maisons du cas d étude et ce quel que soit l indicateur. Le test a également permis de corriger une erreur concernant le bilan CO 2 considéré dans Elodie pour le chauffage au bois. Conclusions et perspectives Le projet BENEFIS a permis de clarifier les problèmes de reproductibilités selon différents objectifs d études. Même si Elodie et novaequer 10 n utilisent pas les mêmes données ACV (Ecoinvent vs. FDES) et les mêmes hypothèses de calcul, ils permettent actuellement de retenir la même meilleure variante notamment pour les indicateurs de changement climatique et d énergie non renouvelable. Toutefois, ces travaux ont aussi montré que les valeurs d impacts pour chaque variante de bâtiments diffèrent parfois fortement. Par conséquent, si les acteurs de bâtiment souhaitent utiliser l ACV dans le cadre d un futur label les méthodes devront être entièrement harmonisées pour obtenir des résultats reproductibles. C est justement l objet des travaux lancés en 2014 par la Direction de l'habitat, de l'urbanisme et des paysages (DHUP) du ministère de l écologie, du développement durable, et de l énergie sur la définition d une étiquette environnementale de bâtiments. Un certain nombre de règles méthodologiques (données ACV, méthodes de calcul, etc.) feront l objet de discussions dans le cadre de groupes de travail thématiques. Recommandations Les partenaires du projet recommandent aux praticiens utilisant l ACV pour comparer des variantes de conception : - de prendre en compte l'influence du choix des matériaux sur le bilan énergétique (en utilisant un chaînage manuel ou informatique entre les outils de calcul énergétique et ACV), la variation de paramètres comme les ponts thermiques pouvant influencer ce bilan de manière non négligeable, - de bien définir et préciser les scénarios de fin de vie considérés pour les différents composants de construction, en particulier les matériaux structurels, l'influence pouvant être importante sur l indicateur de déchets non dangereux par exemple, - de restituer clairement les frontières de l étude, en particulier dans le cas d'une production locale d'électricité. Comme recommandations complémentaires pour améliorer également la reproductibilité des résultats d ACV à l usage éditeurs de logiciels, fournisseurs de données et prescripteurs d ACV bâtiment, pourrait être conseillé : - d'harmoniser le niveau de détail des bases de données des outils (notamment sur les équipements techniques), - d harmoniser le bilan CO 2 du bois ou la fin de vie proposée par défaut dans les outils, - de favoriser l utilisation d une même base de données ou a minima de, préciser clairement le jeu de données utilisé. Par ailleurs, les partenaires recommandent, pour certaines configurations d'opter pour un mix énergétique dynamique sur l année (intégrée dans novaequer 10 et en cours d intégration dans ELODIE), parfois plus pertinent qu'un modèle statique 11. Ce choix se révèle approprié en particulier dans le cas de procédés saisonniers comme le chauffage électrique ou lorsqu il y a production d'électricité photovoltaïque même si les études de cas du projet n ont pas montré de différences sur le classement des solutions énergétiques. 10 Le logiciel novaequer deviendra - lors de sa diffusion - le remplaçant d EQUER 11 cf. Herfray, Roux et Peuportier et cf. Fouquet et al.

7 Contacts CSTB Sébastien Lasvaux Alexandra Lebert (coordinatrice) ARMINES Bruno Peuportier BOUYGUES Construction Romain Bonnet Pour aller plus loin Fouquet M., Lebert A., Lasvaux S., Peuportier B., Roux C., Guiot T., Illustration of methodological challenges in energy and environmental assesmenent of buildings, Conference SB 14 CSTB, ARMINES, BOUYGES, IZUBA, Maisons de Qualité ; BENEFIS - ANR 2011 VILD Tâche 2, Développements méthodologiques. Janvier pages. Hallouin T., Lasvaux S., Bazzana M., Bonnet R. (2014) "Building Life Cycle Assessment (LCA): results sensitivity to the choice of LCA data and reference service lives of construction products". SB14 conference, Barcelona, October Herfray G. and Peuportier B., Evaluation of electricity related impacts using a dynamic LCA model, International Symposium Life Cycle Assessment and Construction, Nantes, juillet 2012 Lasvaux S., Schiopu N., Habert G., Chevalier J., Peuportier B. «Influence of simplification of life cycle inventories on the accuracy of impact assessment: application to construction products», Journal of Cleaner Production, 79 (15), 2014, pp Lasvaux S., Habert G., Peuportier B., Chevalier J. «Comparison of generic and product-specific Life Cycle Assessment databases: application to materials used in building LCA» submitted to Journal of Environmental Management, Peuportier B. et al., European project LoRe-LCA (Low Resource consumption buildings and constructions by use of LCA in design and decision making), deliverables D3.1 Building LCA good practice report and D3.2 Guidelines for LCA, (accès décembre 2014) Roux C. et Peuportier B., Considering temporal variation in the life cycle assessment of buildings, application to electricity consumption and production, Sustainable building conference, Barcelona, october 2014 Roux C. and Peuportier B., Evaluation of the environmental performance of buildings using dynamic life cycle simulation, Building simulation 2013 Conference, Chambéry, August 2013 Des informations complémentaires sont disponibles sur le site internet du projet: