Dualité entre matières premières et énergie utilisée pour les transformer et les transporter

La demande importante des matières premières et l’accroissement des besoins énergétiques nécessaires pour les transformer et les transporter, devient un élément déterminant dans le choix des matériaux, associées à leurs durabilités dans l’espace-temps.

Le cycle de vie des produits manufacturés, dans les différents usages, doit être intégré le plus en amont possible dans la phase de conception, de même que le mode de recyclage des matériaux et le ratio de l’énergie grise.

Depuis que l’Homme a maitrisé la transformation des matières premières pour répondre aux besoins de son quotidien, il n’a cessé de s’ingénier à inventer de nouveaux produits, et donc de nouveaux moyens pour transformer les matériaux, en utilisant plus ou moins d’énergie, avec une efficacité extrêmement variable en fonction du choix des matières et des sources d’énergies utilisées.

1. Représentation des pénuries potentielles des matières premières concernant les corps simples

Le tableau périodique des éléments chimiques est une image imprimée dans la mémoire de la plupart d’entre nous. Vision immuable des salles de classe de chimie, on l’imagine aisément gravé dans le marbre pour l’éternité. Et bien pas du tout ! Depuis 2019, et l’anniversaire des 150 ans de sa création par Dimitri Mendeleïev, le tableau périodique fait l’objet d’une évolution remarquable. De statique et figé dans sa représentation classique un peu austère, le tableau devient dynamique, réussissant à intégrer l’aspect évolutif de la disponibilité des éléments, les impacts de leur utilisation, ou les enjeux géopolitiques qui les entourent. En 2019, la société européenne de chimie (EuChemS, pour European Chemical Society), représentant plus de 160 000 chimistes de 51 sociétés chimiques nationales et d’autres organisations liées à la chimie en Europe, décide de faire évoluer la représentation du tableau périodique (figure 1). [1]

Figure 1 : Tableau de Dimitri Mendeleïev revu, mettant l’accent sur la rareté de certains corps simple [Source : EuChe]

Cette représentation est vraiment importante : elle met en exergue les risques de pénurie liés en particulier aux fabrications concernant les produits que les nouvelles technologies utilisent de plus en plus (téléphonie, Internet, véhicules électriques, produits technologiques divers d’usages communs).

Tout cela interroge sur le choix des matières premières pour répondre aux différents domaines d’utilisations, ainsi que sur la durabilité des produits manufacturés, et de l’ACV (analyse du cycle de vie), qui doit intégrer dans la phase de conception les données de disponibilités, ainsi que les besoins énergétiques nécessaires à leurs transformations.

Un point important concerne la part de l’énergie utilisée pour extraire les matières premières et les transformer, celle utilisée pour les transporter qui n’apporte pas de valeur ajoutée aux matières ou produits transformés et manufacturés. Les flux logistiques, les processus de fabrication plus ou plus moins complexes et énergivores rajoutent un poids important au niveau de l’énergie grise.

Voici quelques matières premières, matières transformées, et alliages couramment utilisés dans les l’industrie de la construction et des activités manufacturières :

• La biomasse (la matière végétale d’origine agricole pour la nourriture ou la production des biens de consommation divers)
• Le bois (exploitation forestière, bois d’œuvre et énergie)
• Le carton et le papier (produit de transformation issue de la matière bois par l’extraction de la cellulose énergivore et consommateur d’eau)
• La pierre et le sable (produit provenant de carrières pour la construction)
• Le bronze (alliage de cuivre et d’étain à usage industriels et domestiques)
• Le laiton (alliage résultant de l’assemblage essentiellement de cuivre et de zinc à usage industriel et domestiques)
• Le cuivre (minerai)
• L’argent (minerai sulfurés, séléniés et tellurés)
• Le fer (minerai roche contenant du fer sous forme d’oxyde)
• L’acier industriel (produit de transformation)
• L’or (énergivore et polluant)
• L’aluminium (issue de l’extraction de la bauxite extrêmement énergivore pour sa transformation)
• L’inox (alliage de fer, carbone, chrome)
• Le verre (issue de dioxyde de silicium est énergivore)
• Le ciment (issue du calcaire et de l’argile esténergivore)
• Plastique et tous les dérivés issus de produits fossiles comme le pétrole
• Lithium
• Platine
• Silicium

* Liste non exhaustive

2. Définition de l’énergie grise

L’énergie grise, c’est « la somme totale de l’énergie nécessaire à assurer l’élaboration d’un produit, et ceci de l’extraction du/des matériau(x) brut(s), le traitement, la transformation, la mise en œuvre du produit, ainsi que les transports successifs qu’aura nécessité la mise en œuvre. Sont également inclues les dépenses énergétiques des matériels et machines ayant contribué à son élaboration »[3].

Le calcul global repose sur la prise en compte de chaque phase de production et de transformation, également appelée l’Analyse de Cycle de Vie :

• La production ou l’extraction
• Le stockage
• Le transport
• L’emballage
• Les déchets induits
• Jusqu’à la mise en décharge pour les matériaux non recyclables et recyclage pour les autres

3. Comment évaluer l’énergie grise d’un matériau ?

On peut évaluer le contenu énergétique en kWh/tonne pour l’élaboration d’un matériau, tout au long de son cycle de vie. On constate, par exemple, que le contenu en énergie grise de l’aluminium est près de 50 fois supérieur à celui du bois (tableau 1).

Tableau 1 : Contenu énergétique de certains matériaux – source : Négawatt [2]

On peut donc conclure que l’énergie dépensée au cours de ce cycle dépend notamment de la complexité d’élaboration du produit.

4. Une notion fondamentale dans la construction et fabrication des produits industriels : la production de CO2 associée

La production industrielle de matériaux de construction engendre des émissions de CO2. On considère que ces émissions sont de l’ordre de 350 kg de CO2 pour 1 000 kWh d’énergie grise [3]. D’après ces données et le contenu énergétique de matériaux indiqué dans le tableau ci-dessus, on peut calculer les rejets de CO2 tout au long du cycle de vie :

• D’une tonne d’aluminium de 1ère fusion : soit 11,80 tonnes de dioxyde de carbone,
• D’une tonne de bois : soit 250 kg de dioxyde de carbone.

Une réflexion en amont sur le choix des matériaux de construction utilisés se révèlera donc à l’avenir incontournable, afin de réduire la quantité d’énergie nécessaire pour un même usage.

Maison en ossature bois. [Source : libre de droits]

5. Les avantages du bois dans la construction et la protection de l’environnement, matériau renouvelable à l’infini

Le bois, exploité durablement, peut être considéré comme possédant un bilan carbone neutre. C’est à dire que le CO2 rejeté dans l’atmosphère pour sa production, sa transformation et son recyclage est totalement absorbé par la forêt durant la phase de croissance des arbres. On peut aussi affirmer qu’il s’agit d’un matériau à faible énergie grise, que l’on doit donc considérer comme une solution efficace de lutte contre l’effet de serre.

Exemples des biens de consommation et développement d’équipements, faisant l’usage de matières premières et d’énergie :

• Produire de la nourriture pour l’homme et les animaux, et la distribuer.
• Extraire ou produire par conversion de l’énergie, sous toutes les formes.
• Construire des structures pour l’habitation, collectives et individuelles.
• Moyens développés pour la santé, Hôpitaux, cliniques, EPAD, centre de rééducation, stations thermales
• Construire des structures industrielles, outils de productions divers.
• Construire de routes, ponts, barrages, bâtiments publics etc.
• Fabriquer des moyens de mobilité, automobile, train, bateaux, avions etc.
• Équipements des moyens de communication, traitement de données, Internet etc.
• Équipements ménagers, ameublement.
• Fabriquer des vêtements, des chaussures.
• Transporter des personnes, des matières premières et de l’énergie
• Produits divers d’usages courants.
• Tourisme, hôtellerie, restaurants, loisirs.
• Traiter des produits en fin de vie, à reconditionner ou à recycler
• Énergie utilisée pour le recyclage des matériaux, simple et complexe (type composite)

6. L’énergie utile pour transformer les matières premières et produits manufacturés

Les métaux et les matières synthétiques incorporent beaucoup d’énergie grise. Les produits qui viennent de loin également. Les matériaux les moins transformés et consommés proches de leur lieu de production utilisent peu d’énergie grise.

Dans le bâtiment, pour minimiser l’énergie grise, on recherche autour du lieu de la construction les matériaux végétaux (chanvre, bois, paille, lin, liège), animaux (laines de mouton, plumes de canard) ou minéraux (terre crue, pierres, galets).

Le tableau 2 ci-dessous présente les principaux matériaux utilisés dans la construction de bâtiments et de produits manufacturés. Ces différents matériaux ne sont toutefois pas comparables car leurs utilisations et performances sont différentes.

Tableau 2 : énergie grise pour différents matériaux – source [4]

Ce qui est important, c’est d’avoir un comparatif qui permet d’orienter les choix par rapport à la réalisation finale des projets, sans considérer ces valeurs comme absolues. Elles doivent être intégrées malgré tout en tenant compte de tous les paramètres technico/économiques.

Par le passé, pour un logement qui consommait 80 kg éq CO2/m2/an, il nous fallait 5 années d’exploitation pour couvrir l’énergie grise mise en œuvre à la construction. Il faut maintenant prendre conscience qu’un bâtiment basse consommation qui ne va nécessiter que 5kg éq CO2/m2.an pour ses usages va mettre 70 à 80 ans pour compenser ce poste ». La proportion de l’énergie liée à la construction et celle liée à son exploitation s’est inversée.

Figure 3 : Cumuls d’énergie consommée pour différents types de construction. [Source : [5]]

Pour fixer un ordre de grandeur, nous savons que la quantité de carbone grise nécessaire à l’élaboration d’une construction est de l’ordre de 300 à 500 kg éq CO2/m2 pour une maison individuelle, de 300 à 600 kg éq CO2/m2 pour un petit collectif et de 500 à 800 kg CO2/m2 pour des bureaux.

Sur la nouvelle réglementation thermique en vigueur, la Réglementation Environnementale 2020 (RE 2020) (figure 4), il y a certaines contraintes particulières liées aux choix des matériaux pour la construction de bâtiments neufs qui devraient produire plus d’énergie qu’ils en consomment ou qu’ils en ont consommés pendant leur construction : ce sont des bâtiments à énergie positive (BEPOS). Cela reste à pondérer cependant dans l’échelle temps, concernant le recouvrement énergétique et économique par rapport à leurs exploitations.

Figure 4 : Les réglementations thermiques [Source : [7]]

Les chercheurs rappellent que, pour les produits manufacturés, 40% de CO₂ sont dues aux matériaux, de leur extraction à leurs transformations.

7. Exemple de calcul d’énergie grise d’une automobile

7.1. Périmètre et calcul

La figure 6 présente les différentes étapes de la fabrication d’un véhicule, et donc des étapes prises en compte dans le calcul de l’énergie grise d’un véhicule :

Figure 6 : cycle de vie d’une automobile. [Source : © auteur]

L’énergie grise rend compte de l’énergie mobilisée pour extraire les matériaux qui servent à la fabrication des véhicules, pour les assembler, les transporter, assurer leur maintenance, pour transformer et transporter l’énergie (essentiellement essence et gazole), et in fine, pour recycler ces véhicules. Il faut aussi tenir compte de l’énergie nécessaire aux études, à la construction, au fonctionnement et à la maintenance des réseaux de transports, qu’ils soient routiers, ferroviaires ou aériens.

Selon l’IDDRI, en matière de transport il est frappant de noter que l’on consomme davantage d’énergie grise dans nos dépenses de transport que d’énergie directe. « Dit autrement, nous consommons moins d’énergie pour nous déplacer dans nos véhicules individuels que nous consommons d’énergie nécessaire pour produire, vendre et acheminer les voitures, les trains ou les bus que nous utilisons. »

Nous ne disposons que de chiffres qui reposent sur une base incomplète, et qui sont vraisemblablement sous-estimés. Dans le cas d’une Golf à essence de Volkswagen, on peut estimer l’énergie grise à 18 000 kWh (c’est-à-dire 12 % des 545 GJ indiqués dans le rapport). Dans le cas d’une Golf A4 (à moteur TDI), on obtient 22 000 kWh (soit 15 % des 545 GJ indiqués dans le rapport). Selon Global Chance, dans le cas des véhicules électriques, l’énergie grise due à la batterie serait tout particulièrement élevée. Une étude de l’ADEME parue en 2012 évalue l’énergie grise d’un véhicule thermique à 20 800 kWh et celle d’un véhicule électrique à 34 700 kWh.

Une estimation conclut en 2009 à 45 900 kWh pour la Toyota Prius, un chiffre comparable à celui publié en 2004 pour « une automobile ». Un véhicule électrique présente une énergie grise plus élevée que celle d’un véhicule thermique, à cause de la batterie et de l’électronique.

Une étude publiée en 2017 en France évalue les émissions de CO₂ sur le cycle de vie d’une voiture électrique citadine à 10,2 tCO₂-éq pour la production et le recyclage (énergie grise) plus 2,1 tCO₂-éq en phase d’usage contre 6,7 tCO₂-éq plus 26,5 tCO₂-éq pour une voiture thermique citadine : malgré son énergie grise supérieure de moitié, la voiture électrique émet au total trois fois moins de CO₂ [7].

7.2. Autres infrastructures prises en compte

• Énergie grise liée à la fabrication des carburants

Pour la partie énergétique, le taux de retour énergétique (EROEI en anglais) du carburant est de nos jours de l’ordre de huit. Cela signifie que l’énergie grise liée à la fabrication du carburant (extraction, transport, raffinage, distribution) vaut environ ¹⁄₇ de l’énergie consommée. En d’autres termes, il faut ajouter 14,3 % à la consommation d’un véhicule thermique, rien que pour l’énergie grise liée à la fabrication des carburants.

Selon certains auteurs, il faut même 42 kWh d’énergie grise (soit environ l’équivalent en énergie de 4,2 litres d’essence) pour produire six litres de gazole.

• Énergie grise liée à la construction routière

Les chiffres sont encore beaucoup plus difficiles à obtenir. L’énergie grise ne représenterait que ¹⁄₁₈ de l’énergie consommée par le véhicule, soit une consommation à majorer de 6 %.

• Fabrication d’un ordinateur

La fabrication d’un ordinateur pourrait nécessiter une énergie quatre fois plus élevée que celle correspondant à son alimentation électrique sur une période de trois années, selon le magazine allemand Der Spiegel. Le magazine fait remarquer qu’à raison de trois heures d’utilisation par jour pendant 300 jours, sur une durée de quatre ans, pour une puissance de 150 W, la consommation directe d’énergie s’élèvera à environ 400 kWh. La fabrication d’un PC nécessite quant à elle 3 000 kWh.

7.3. Les défis du monde industriel concernant les matières premières et l’énergie.

• Description du processus de fabrication de produits manufacturés ou de génie civil.

Les moyens (processus) qui s’inscrivent dans la conception des produits manufacturésou rentrant dans divers projets de génie civil, doivent tenir compte du cycle de vie, de la durabilité des matériaux utilisés, et du ratio énergétique pour la fabrication des produits, jusqu’au recyclage, (cf. le logigramme ci-dessous figure 7), qui décrit le déroulement méthodologique pour prendre en compte toutes les paramètres d’un projet.

Figure 7 : Représentation du processus de fabrication de produits industriels ou de génie civil intégrant l’expression du besoin jusqu’au recyclage des matières. [Source : © auteur]

8. Conclusion

Au regard des chiffres concernant la consommation d’énergie pour la transformation des matières premières, le constat montre la nécessité de prendre le plus en amont possible le choix des matériaux en tenant compte des performances intrinsèques par rapport à leurs usages finaux, dans le cadre de l’écoconception.

La durabilité (durée de vie des produits) doit être aussi intégrée par rapport à l’usage, en considérant la chaine de vie et le recyclage des matériaux et l’énergie nécessaire au recyclage, ainsi que l’impact dans l’environnement naturel, en particulier pour les matériaux composites, chaines moléculaires difficiles à déstructurer.

Cela suppose reconsidérer en profondeur le modèle économique de notre société, basée sur le consumérisme du court terme, avec une périodicité de renouvèlement des produits trop courte.

Les produits manufacturés vont devoir intégrer plus de valeur ajoutée au niveau de la conception, rendant les produits plus évolutifs (software notamment, intelligence artificielle pour les produits techniques) ainsi que leurs réparabilités dans le cycle de vie. Tout cela est à pondérer en fonction de la nature des produits manufacturés.

L’adéquation des choix des matériaux sera de plus en plus une donnée d’entrée dans la conception des différents produits (définition des Cahiers des Charges, profil de mission, données normatives) à usages industriels et domestiques dictés par les risques importants de pénuries par rapport au potentiel disponible des corps simples et des matières premières en général.

Dans un espace fini confronté à de multiples défis : démographique, sociologique, culturel, évolution climatique, fuite en avant du toujours plus, le couple énergie/matièrestransformées, rentre dans une chaine de valeur devenue prépondérante. Mais à toutes choses égales par ailleurs, tout le monde ne vit pas les problèmes avec le même degré d’immédiateté des contraintes. L’humanité va devoir intégrer le fait que le potentiel des disponibles doit se conjuguer avec le potentiel des possibles.

Quoi qu’il en soit, la complexité de notre société ‘’dite industrialisée’’ doit préciser les meilleurs choix possibles pour produire et consommer de façon rationnelle, et va devoir trouver les bons moyens pour communiquer à un large public, pour relever les challenges des décennies à venir.

*Image de couverture. En Allemagne, un parc éolien est démantelé pour accroître la taille d’une mine de lignite. [Source : https://meta.eeb.org/2018/06/06/germany-starts-coal-exit-talks-in-bid-to-improve-patchy-climate-record/]

Bibliographie 

[1] La société européenne de chimie (EuChemS, pour European Chemical Society).

[2] Négawatt.

[3] L’Énergie grise dans la filière bâtiment et travaux publics de Erik Niemann, chargé de mission auprès de la MGC/DRAST.

[4] Source : http://www.think-thimble.fr/

[5] L’énergie grise en question /Expo au fil du bois (CAUE 38 et CREABOIS)

[6] Source ADEME et Wikipédia.

[7]  « Quelle contribution du véhicule électrique à la transition énergétique ? » [archive], Fondation Nicolas-Hulot pour la nature et l’homme, 4 décembre 2017 Marie Chéron • Fondation pour la Nature et l’Homme Abrial Gilbert-d’Halluin • European Climate Foundation Aurélien Schuller • Carbone 4 https://www.fnh.org/quelle-contribution-du-vehicule-electrique-a-la-transition-energetique/