Approfondissement de l’ACV pour l’éco-pp pconception des procédés industriels1) Traitement anticorrosion par technique plasma1) Traitement anticorrosion par technique plasma atmospherique 2) Production d’eau potable) p

Enrico BENETTO Colin JURY Philippe LOUBETEnrico BENETTO, Colin JURY, Philippe LOUBET

Public Research Centre Henri Tudor / Resource Centre for Environmental Technologies (CRTE) – Luxembourg

Congrès Eco-technologies – Lille 1

09/06/2010

Overview CRP Henri Tudor(Research & Development & Innovation)(Research & Development & Innovation)

Staff: 450 located on 3 sites R&D Technological Expertise & Consultancy Innovation Networks and Platforms High-level Training

29, avenue John F. KennedyL-1855 Luxembourg-Kirchberg

Masters in cooperation with universities Science based Business Incubation Doctoral Research (PhD)

66, rue de Luxembourg

Four Technology Groups: Information and Communication Technologies,

Information Society Technologies

, gL-4002 Esch-sur-Alzette

Information Society Technologies Materials and Industrial Technologies Environmental Technologies

H l h C T h l i2A, rue KalchesbrückL 1852 Luxembourg Kalchesbrück Health Care Technologies L-1852 Luxembourg-Kalchesbrück

2

CRTE Business Card

The « Centre de Ressources des Technologies pour l’Environnement » (CRTE): a common structure of CRP Henri Tudor and the Ministry of Sustainable Development and InfrastructuresInfrastructures

Expertise and technical assistance on environmental technologies (including BAT) based on integrated approach, aiming at an ( g ) g pp , gefficient environmental protection.

Multidisciplinary team p yof 40 collaborators: environmental, mechanical, civil engineering; process engineering; (bio)chemistry;engineering; (bio)chemistry; physics; geography(4 PhD students, internships)

www.crte.lu3

Champs d’application

Source: Weidema 2003Source: Weidema, 2003

4

L’écoconception et le rôle de l’ACV

ISO14062: “The goal of integrating environmental aspects into product

Rôle de l’Analyse du Cycle de Vie:

ISO14062: The goal of integrating environmental aspects into productdesign and development is the reduction of adverse environmental impacts of products throughout their entire life cycles”

Rôle de l’Analyse du Cycle de Vie: - Evaluation des performances environnementales d’alternatives de

conception- Orienter le processus de conception (choix)- Orienter le processus de conception (choix)

Marché - économie

Enjeux

(Analyse multicritère)

Cycle de vie du procédé ACV

(Optimisation)

5

alternative

Typologies d’ACV

Source: ILCD handbook

6

Quelle typologie pour l’écoconception?

C: quelles sont les performances environnementales d’un procédé en lui-même

- en prenant en compte des interactions existantesen prenant en compte des interactions existantesavec d’autres systèmes (C1) ou isolé (C2)

A: quelles sont les impacts environnementaux engendrés par leA: quelles sont les impacts environnementaux engendrés par le développement d’un procédé qui va rentrer sur le marché

- prise en compte des effets marginaux sur les autres systèmes (pas de changements structurels)systèmes (pas de changements structurels)

B: quelles sont les impacts environnementaux engendrés par l’introduction d’une technologie sur le marché avecl introduction d une technologie sur le marché avec changements structurels

7

Ecoconception: C ou A?

Procédé éco-concu : utilisation du réactif A afin de

Augmentation de la demande pour le réactif A sur le

réduire l’émission du polluant x

marché

Le réactif A c’est un coproduit: production contrainte

Déplacement de l’utilisation du réactif A dans le processus Y contrainteprocessus Y

Utilisation du réactif B dans le processus Y (produit affecté)

8

TRASU

Dé l t d êt t d f i t lDéveloppement de revêtements de surface innovants par la technologie plasma atmosphérique optimisée et transfert de connaissances aux entreprises

CRP Gabriel Lippmann , CRP Henri Tudor , Université de Luxembourg 01/05/2005 31/10/200901/05/2005 - 31/10/2009Financement: Fond nationale de la recherche Luxembourg

Obj tifObjectif:- Développement de revêtements anticorrosion pour l’acier galvanisé par la polymérisation de organo-silicates via la t h l i l t hé itechnologie plasma atmosphérique - Réduction de la consommation de matières premières et du temps de traitement

9

- Comparaison avec d’autre procédés (état de l’art)

Frame of the study

P f i iPost surface treatment against corrosion mainly for aesthetic reason

Additional properties canRusty metal sheet © Sergey Kolesnikov #12262512http://fr.fotolia.com/

Additional properties can be required: painting adherence, auto-l b ifi ti t l

Raji Chandran. http://chennai.olx.in/industrial-metal-sheets-and-embossed-metal-sheets-chennai-iid-63002994

lubrification, metal working resistance, ...

Search for alternatives (wet or dry) to chromium VI banned by EU1

Plasma is a dry-coating technique (perceived as environmentally friendly)

101Directives 2000/53/EC and 2002/95/EC

TRASU: Procédé échelle pilotegaz

flow+precursor

Traité par plasma

Non traité upper electrode 2 upper electrode 1

flow+precursor

Non traité

1cm

Acier galvanisé

sample to be coated

upper electrode 2

gap

dielectric

upper electrode 1

Acier galvanisé

alternative voltagepower supply

1) Activation: 80% N2 et 20% O2

2) C ti P l é i ti d HMDSO*2) Coating: Polymérisation de HMDSO* par plasma atmosphérique (96% N2 et 4% O2)

11

3) Curing: 80% N2 and 20% O2

* HexaMethylDiSilOxane (HMDSO)

TRASU: questions

1) Comment éco-concevoir le procédé?a) Analyse de contribution: identification des principales sources d’impacts (C/A)sources d impacts (C/A)b) Changement d’échelle (C/A)c) Prise en compte de services de fin de vie (traitement des dé h t fi d i d l’ i l i é) é é idéchets, fin de vie de l’acier galvanisé): processus génériques (C) ou réponse marginale du marché (A) d) comparaison avec d’autres procédés (A)

2) Quelle sont les conséquences (à large échelle) de la mise en œuvre sur le marché?la mise en œuvre sur le marché?a) changements structurels (processus d’arrière plan)

12* HexaMethylDiSilOxane (HMDSO)

a) Analyse de contribution

Données premier plan (mesures, littérature)

Données arrière plan (e.g. Ecoinvent)

N2

O2

LCIs

LCIPlasma

O2

Electricity

LCI

LCI

HMDSONon disponible

Ressources et émissions indirectes

Données process + émissions directes

13

ACV “process”

PP(Littérature et mésures)AP (Ecoinvent)

HMDSOMP (kg)LCIs

(Littérature et mésures)

PlasmaLCIs Energie (MJ), MP (kg)

HMDSO (kg)

MP (kg)

Energie (MJ)

LCIs

LCIs

- Bonne qualité des données (transparence) - Pas complet (MP et processus manquants)- Problèmes d’expansion/allocation (information incomplètes)Problèmes d expansion/allocation (information incomplètes)

14

ACV par tableaux entrées-sorties (IOLCA)

Tableaux d’entrées-sorties (Leontief) avec extensionsTableaux d entrées sorties (Leontief) avec extensions environnementales

PP(fournisseurs et mesures)

AP(IO-EU27*)

Secteurs économiques MP (€)Energie (€) HMDSO (€)

Electricité, gaz, vapeurProduits chimiques

PlasmaSecteurs économiques MP (€)

- Champs d’étude très complet- Secteurs trop génériques (manque de représentativité) p g q ( q p )- Mauvaise qualités des données d’arrière plan

15*Input Output table for European Union (27 countries)

b) Echelle: achat N2 et O2EU27

/USA98

/DK99

/CAN02

/(Euro 2000/kg) (USD98/kg) (DK99/kg) (CAD02/kg)

Transport Transport by road; pipelines, EU27 

Freight forwarders and other transportation services

Freight transport by road 

Truck transportation 

servicesN2  0.049  0.064 0.319  0.111 O2  0.005  0.006 0.006  0.010

Bottles Fabricated metal products, except 

Fabricated plate work (boiler 

Iron and steel after first 

Fabricated metal product 

machinery, EU27 shops) processing  manufacturingN2  0.198  0.260 1.290  0.451 O2  0.023  0.030 0.031  0.053

Electricity gasElectricity and district heat

Electric power generation

Electricity Electricity, gas, steam and hot water, EU27 

Electric services (utilities) 

district heat (constrained), DK, Terminated System 

generation, transmission and distribution 

N2  0.289  0.380 1.890  0.659 O2  0.058  0.076 0.077  0.131

Infrastructure Electrical machinery n.e.c., EU27 

Motors and generators 

Electrical machinery n.e.c, DK 

Machinery manufacturing 

N2 0 051 0 067 0 333 0 116

16

N2  0.051  0.067 0.333  0.116

b) Echelle: production sur site

  EU27Euro 2000 

USA98USD98 

DK99DKK99 

CAN02CAD02 

Electricity Electricity, gas, steam and hot water, EU27

Electric services (utilities), USA 

Electricity and district heat (constrained), DK, Terminated 

Electric power generation, transmission and distribution, ,

System N2/O2  0.56 E‐2 0.74 E‐2 3.67 E‐2 1.28 E‐2

MachineryElecrical machinery n e c

Motors and Electrical machinery n e c

Machinery manufacturingMachinery  machinery n.e.c., 

EU27 generators, USA

machinery n.e.c, DK 

manufacturing

N2/O2  0.17 E‐2 0.23 E‐2 1.13 E‐2 0.39 E‐2

17

a) contribution du HMDSO (1)

Average contribution  to the total impact (Ecoinvent ‐ ReCiPe 1.03*)

Di t i i HMDSO d El t i it N2li h O2li h

0 %6 %

Direct emissions HMDSO prod Electricity N2 liq. purch. O2 liq. purch.

19  %58 %

6  %

17  %

18* http://www.lcia-recipe.net/.

a) contribution du HMDSO (2)

Carrier gases purchased in bottles

Average contribution  to the total impact (IO‐EU27 ‐ ReCiPe 1.03*)

d l h l h

Carrier gases purchased in bottles

1 %

3%

Direct emissions HMDSO prod O2 liq. purch. N2 liq. purch.

3 %

15 %

81 %

19

b) Changement d’échelleCarrier gases produced on siteCarrier gases produced on site

Average contribution  to the total impact(IO‐EU27 ‐ ReCiPe 1.03*)

Electricity HMDSO N2/O2 prod. Onsite

25%

26 %

25 %

49 %

20

Conclusion

Both approaches lead more or less to the same conclusion The Impact of carrier gases seems to be preponderant when bought in bottles (63% using ecoinvent and 96% using IOEU27)bought in bottles (63% using ecoinvent and 96% using IOEU27)

Change the supplying of carrier gases dramatically change results Production of HMDSO become preponderant despite the use of N2, O2 and electricity shall not be neglected I t t t f t th i l t ti t f ll l Important to forecast the implementation at full scale

Previous statement shall be verified using a conventional gdatabase

21

EVALEAUANR 2008: Evaluation des performances environnementales etANR 2008: Evaluation des performances environnementales et économiques intégrées de procédés de production d’eau potable

Partenariat- Laboratoire d’Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés – INSA Toulouseg y g- SUEZ – Environnement- CRTE – CRP Henri Tudor Luxembourg- Laboratoire d’Economie des Ressources Naturelles – INRA/Université Sciences Sociales ToulouseObjectifs : Développer des outils et méthodologies pour l’évaluation des performances

env. au sens large de procédés

1) Créer un outil (modèles et logiciel) adapté pour l’inventaire et l’analyse des flux1) Créer un outil (modèles et logiciel) adapté pour l inventaire et l analyse des flux- implique la modélisation exhaustive et hautement paramétrisée des

opérations unitaires2) Etablir un ensemble de critères d’évaluation des performances env. au sens large

- impacts environnementaux- impacts environnementaux - critères thermodynamiques : exergie et emergie- risque sanitaire de l’eau potable produite- critère économique – coût des dommages env.

3) Proposition d’un schéma d’aide à la décision/éco-conception des procédés de

22

3) Proposition d un schéma d aide à la décision/éco-conception des procédés de production d’eau potable

EVALEAU: exemple de procédéChaque procédé (et site de production) est unique- Pas de « copier –coller » possible de processus- Pas de données d’inventaire disponibles à priori

Nécessité de générer des donnéespar la modélisation détaillée des opérations unitairespar la modélisation détaillée des opérations unitaires

23

EVALEAU: Questions

1) Comment eco-concevoir le procédé?a) Analyse des contributions des OPU (C / A)b) P i t d i d fi d i ( t it tb) Prise en compte de services de fin de vie (ex. traitement des boues): processus génériques (average – C) ou réponse marginale du marché (A) ) t d i (C / A)c) aspects dynamiques (C / A)

d) comparaison avec d’autres procédés (A)

2) Quelle sont les conséquences de la mise en œuvre sur le marché?a) changements structurels à l’échelle regionale

24

Approche méthodologique

M déli ti d OPU i l ti d diffé t diti d f ti tModélisation des OPU -simulation de différentes conditions de fonctionnement-réalisation des bilans entrée-sortie

Création d’une bibliothèque de modules indépendants OPU dans un outils informatique approprié (UMBERTO, couplage de logiciels spécialisé dans un environnement Python)

Usine numérique par combinaison des OPU (sous UMBERTO)

Inventaire Eléments communs pour l’évaluation des critères de performance

Calculs d’ExergieInventaires du cycle de vieACV Coûts

25

g

Qualité du produit(risques sanitaires)Calculs d’Emergie

EVALEAU: Questions

1) C/A: eco-conception et comparaison de procédésa) Analyse des contributions des OPU (C / A)b) P i t d i d fi d i ( t it tb) Prise en compte de services de fin de vie (ex. traitement des boues): processus génériques (average – C) ou réponse marginale du marché (A) ) t d i (C / A)c) aspects dynamiques (C / A)

d) comparaison avec d’autres procédés (A)

2) B: consequences de la mise en oeuvre sur le marchéa) changements structurels à l’echelle regionale

26

Analyse des contributions

Ecoindicator99 + Water depletion indicator (Pfister, 2009)

27

Aspects dynamiques

Correlation entre impact et qualité de l’eau :Correlation entre impact et qualité de l’eau : échelles de temps des processus

28

Conclusion

La méthodologie ACV doit évoluer pour répondre aux enjeux d’écoconception

Approche de type A ou B Elargissement avec outils des sciences économiques Di ibilité d b d d é (E i t 3 0) tDisponibilité de base de données (Ecoinvent v3.0) et modélisations

29