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Sep 10, 2023

Les évaluations spatialement explicites du cycle de vie révèlent les points chauds des impacts environnementaux de la production d'électricité renouvelable

Communications Terre & Environnement

Communications Terre & Environnement volume 3, Numéro d'article : 197 (2022) Citer cet article

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La production d'énergie renouvelable a un grand potentiel pour réduire les émissions de gaz à effet de serre, cependant, elle peut exacerber d'autres impacts environnementaux, tels que la pénurie d'eau, ailleurs dans la chaîne d'approvisionnement. Ici, nous révélons un large éventail d'impacts environnementaux mondiaux de l'énergie solaire concentrée, de l'hydroélectricité au fil de l'eau et de la combustion de la biomasse par rapport à l'énergie classique au charbon : une évaluation de l'impact du cycle de vie spatialement explicite est utilisée pour évaluer leurs chaînes d'approvisionnement en ce qui concerne la demande d'énergie, de terres, de matériaux et d'eau, les émissions de gaz à effet de serre et les impacts sur la santé humaine et la qualité des écosystèmes, en mettant l'accent sur l'exploitation minière. Les analyses des points chauds en termes de localisation et de type d'impact montrent qu'il n'y a pas de préférence claire pour aucune des technologies, principalement parce que la consommation d'eau est souvent critique sur site. La centrale solaire à concentration étudiée est la moins adaptée à une transition énergétique durable : ses points chauds spatiaux se propagent le plus à l'échelle mondiale et peuvent dépasser ceux de la combustion du charbon en nombre et en gravité. La méthodologie présentée est la base pour atténuer ces points chauds environnementaux.

Les émissions de gaz à effet de serre provenant de la production d'électricité et de chaleur représentaient 25 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre en 20101. Leur réduction afin de lutter contre la progression du changement climatique est un objectif déclaré de la communauté internationale, énoncé dans l'Objectif de développement durable 7 Énergie propre et abordable2. Les technologies respectueuses du climat pour produire de l'électricité sont un élément important de cette entreprise, qui a également été abordée par l'International Resource Panel3. Jusqu'à présent, la société et la politique ont eu tendance à moins se concentrer sur les autres impacts environnementaux de ces technologies que sur les émissions de gaz à effet de serre. Cependant, la production d'électricité nécessite de telles quantités d'eau (de refroidissement) que, même dans des scénarios de développement durable, la demande ne peut plus être couverte de manière adéquate dès 2040 dans de nombreuses régions du monde4. Cela peut donc contribuer à la rareté de l'eau dans la région. En outre, la demande de ressources minérales essentielles, dont l'extraction et le traitement ont à leur tour un certain nombre d'impacts environnementaux différents, pourrait probablement augmenter. Le lithium est un exemple de ressource très demandée par le secteur de l'électricité renouvelable, alors que son extraction peut contribuer à la rareté régionale de l'eau dans les Hautes Andes5. Entre-temps, les éléments de terres rares sont devenus essentiels pour les éoliennes, tandis que leur extraction et les processus associés peuvent non seulement affecter négativement l'environnement environnant, mais peuvent également présenter de graves risques pour la santé humaine6. Comme la part des biocarburants devrait fournir un élément important du mix énergétique mondial avec 20 à 30 % des besoins mondiaux, non seulement la demande de terres, mais aussi la concurrence pour les terres fertiles entre différents utilisateurs augmenteront7. Selon les scénarios choisis, 7 à 45 % des terres arables mondiales seraient nécessaires pour satisfaire les besoins croissants des plantes à biocarburants en 2050, ce qui indique que de tels développements doivent être gérés avec anticipation7.

Outre les exemples sélectionnés, il existe de nombreux autres impacts et liens possibles entre la production d'électricité et d'autres secteurs. Comme les conséquences des interactions entre les systèmes humains et naturels "ont de profondes implications pour les défis mondiaux"8, le concept de télécouplage a été appliqué pour décrire les interactions dans les systèmes humains-environnementaux en intégrant des concepts disciplinaires tels que les téléconnexions et la mondialisation8,9. Nous utilisons le terme téléconnexions, qui était à l'origine lié aux liens entre les systèmes climatiques distants10, dans cette étude pour décrire la charge environnementale de la production d'électricité à certains endroits sur d'autres endroits dans le monde. Afin de découvrir les téléconnexions de manière à pouvoir en déduire des options d'action, le degré de résolution spatiale est crucial : Un examen de 251 analyses d'évaluation du cycle de vie (ACV) a montré qu'il y a encore trop peu de résultats et que de nombreuses régions du monde restent sous-représentées11. Pour aider à combler cette lacune, nous effectuons une évaluation complète et spatialement explicite de divers effets environnementaux grâce à une analyse avancée des points chauds d'évaluation de l'impact du cycle de vie (LCIA) qui approfondit l'ACV spatiale grâce à une évaluation et une présentation nouvellement développées des points chauds au mieux de nos connaissances. À cette fin, un ensemble d'indicateurs LCIA est utilisé pour comparer la charge environnementale potentielle de la phase de construction et d'exploitation de quatre études de cas de production d'électricité : l'hydroélectricité au fil de l'eau, l'énergie solaire concentrée, la combustion de la bagasse (résidus de canne à sucre issus de la fabrication) et la combustion du charbon. Des informations spatialement explicites concernant l'approvisionnement en matériaux sont ajoutées pour régionaliser l'approvisionnement en amont avec huit produits minéraux pertinents. Les résultats sont analysés par rapport aux activités les plus nuisibles en termes de localisation et de type d'activité afin d'identifier les téléconnexions négatives le long des chaînes d'approvisionnement. Des recommandations pour la production d'énergie et d'autres priorités de recherche sont dérivées.

Cette étude identifie les téléconnexions à partir de quatre études de cas de production d'électricité (Fig. 1). Trois systèmes de production d'électricité renouvelable sont considérés : l'hydroélectricité au fil de l'eau (ROR) sur le Danube, en Allemagne, composée de six barrages entre les villes d'Oberelchingen et de Faimingen (a), l'énergie solaire parabolique concentrée (CSP) à Ouarzazate, au Maroc (b), et l'incinération des résidus de canne à sucre dans le bassin du Rio dos Patos, au Brésil (c), dite bagasse. Ce dernier est considéré comme un produit et comme un déchet par comparaison, que l'on appellera désormais incinération de la bagasse et incinération des déchets-bagasse. Une centrale électrique au charbon (CPP) sur la rivière Weser, en Allemagne (d), sert de référence pour les systèmes conventionnels.

Les emplacements des études de cas sont indiqués sur les cartes connectées : a est situé sur le Danube, en Allemagne, b à Quarzazate, au Maroc, c dans le bassin du Rio dos Patos, au Brésil, et d sur le fleuve Weser, en Allemagne. Pour l'étude de cas c, la sucrerie au Brésil, deux limites de système différentes sont considérées pour tenir compte de l'incinération des déchets de bagasse (limite intérieure en pointillés) et de l'incinération de la bagasse (limite extérieure en pointillés). Les flèches noires symbolisent les entrées et les sorties, à l'exception de l'extra marqué. Dans la figure, seules les contributions les plus importantes sont prises en compte dans les processus propres (boîtes noires), respectivement, les autres entrées sont résumées via les flèches noires.

Les modèles ACV de la phase de construction et d'exploitation des études de cas sont complétés par des données spécifiques aux études de cas. Un vaste ensemble de données avec des chaînes d'approvisionnement en amont régionalisées pour huit produits minéraux pertinents pour les systèmes de production d'électricité, à savoir l'aluminium, le cuivre, le charbon, le ciment, le fer et l'acier, le lithium et le phosphore, est fourni pour soutenir la résolution spatiale de l'approvisionnement en amont au-delà de la base de données ACV utilisée. Les modèles ACV sont évalués de manière comparative et spatialement explicite à l'aide d'une sélection d'indicateurs LCIA, en particulier les empreintes climat et ressources qui couvrent au moins 80 % de la variance des impacts environnementaux possibles12. Les indicateurs sont divisés en deux groupes : le groupe 1, les pressions environnementales, comprend les indicateurs qui se réfèrent à la rotation des flux de matières déterminant la charge environnementale à proximité des actions motrices (point médian de l'ACV), tandis que le groupe 2, les impacts environnementaux, contient les indicateurs qui évaluent des voies d'impact plus complexes et plus étendues (point final de l'ACV). Si les deux sont abordés, le terme charge environnementale est utilisé. Tous les résultats des indicateurs sont normalisés par la médiane de toutes les études de cas et présentés par 1 kWh d'électricité livrée, spécifié pour la phase de construction et d'exploitation. Une comparaison des résultats cumulés permet d'évaluer la performance environnementale globale des études de cas.

De plus, des analyses de points chauds sont effectuées selon une méthode nouvellement développée au meilleur de nos connaissances. Ici, les activités, c'est-à-dire tous les processus ACV qui composent la chaîne d'approvisionnement modélisée d'une étude de cas, sont analysées à la fois en termes de localisation (a) et de type (b). Auparavant, les résultats d'activité LCIA sont normalisés par pression ou impact environnemental en les comparant à des valeurs médianes communes pour rendre les résultats des études de cas directement comparables. Les valeurs normalisées représentent le rapport à un impact ou à une pression environnementale médiane, respectivement, et sont classées en sévérité faible, moyenne, élevée et très élevée. Les emplacements correspondants sont considérés comme des téléconnexions et considérés comme des points chauds spatiaux de plus en plus de gravité faible à très élevée (a). Ici, nous utilisons les termes sur site, c'est-à-dire le lieu de l'étude de cas considérée, et à distance, c'est-à-dire le lieu de toutes les activités liées à une étude de cas via la chaîne d'approvisionnement qui ne sont pas exécutées sur le lieu de l'étude de cas elle-même. De plus, toutes les activités sont regroupées en catégories et leurs résultats LCIA sont comparés à la charge environnementale totale de chaque étude de cas pour dériver les points chauds d'activité dans les chaînes d'approvisionnement, c'est-à-dire les activités qui sont responsables des charges les plus élevées (b). Une comparaison avec les hotspots spatiaux fournit des informations sur le type d'activités qui se cachent derrière les hotspots spatiaux et où les analyses de la chaîne d'approvisionnement doivent être priorisées.

En général, les pressions environnementales de la production d'électricité renouvelable sont dans la plupart des cas éminemment inférieures à celles de la combustion du charbon, où les valeurs sont en partie supérieures d'un ordre de grandeur (figures 2 et 3 et données supplémentaires 1). Parmi les renouvelables, le CSP provoque les plus fortes pressions avec des résultats légèrement supérieurs à la moyenne. L'incinération de la bagasse entraîne des pressions environnementales plus élevées que l'incinération des déchets-bagasse, qui occupe la quatrième place au classement général. Les pressions les plus basses sont associées au ROR hydroélectrique. La première exception est l'empreinte quantitative de la rareté de l'eau, c'est-à-dire la somme de l'évapotranspiration, de l'eau incorporée au produit et du transfert d'eau, avec des pressions plus élevées que celles de la combustion du charbon, en particulier avec le CSP et l'incinération de la bagasse. La deuxième exception est l'occupation du sol qui totalise l'occupation temporaire de l'espace physique sans aucune évaluation dans cette étude. Il est destiné à remplir la fonction d'approximation de l'empreinte foncière basée sur la demande physique en terres. Ici, la production d'électricité renouvelable peut être responsable de pressions comparables à celles du CPP, bien que pour des raisons différentes : dans le cas du CPP, la demande de bois de construction dans l'exploitation minière en amont joue un rôle, tandis que les systèmes d'électricité renouvelable nécessitent des terrains sur place. Cela ne s'applique pas à l'hydroélectricité ROR, cependant, car son occupation des terres associée produit les résultats les plus bas de tous.

Les résultats sont présentés par pression environnementale a–f pour la phase de construction (barres jaunes) et d'exploitation (barres bleues) sur une échelle logarithmique par 1 kWh d'électricité produite, respectivement. Pour chaque pression environnementale, les résultats LCIA pour l'exploitation, la construction et le total ont été normalisés par le résultat total médian de toutes les études de cas. Cette approche garantit que les rapports entre l'exploitation et la construction sont maintenus et que la barre de somme grise correspond à la somme de la barre jaune et bleue, respectivement. Puisqu'une valeur normalisée de 1 représente des pressions environnementales identiques à la médiane, la ligne de grille correspondante est mise en évidence en gras. ROR au fil de l'eau, centrale solaire à concentration CSP, Bagasse inc. Incinération de la bagasse, centrale électrique au charbon CPP.

Les résultats sont présentés par des études de cas pour les phases de construction et d'exploitation a–e sur une échelle logarithmique par 1 kWh d'électricité produite, respectivement. Pour chaque pression environnementale, les résultats LCIA pour l'exploitation, la construction et le total ont été normalisés par le résultat total médian de toutes les études de cas (détails Fig. 2). ROR au fil de l'eau, centrale solaire à concentration CSP, Bagasse inc. Incinération de la bagasse, centrale électrique au charbon CPP, CED-fo Cumulative Energy Demand, fossil, Land occ. Occupation des terres, GWP100 Global Warming Impact, RMI Raw Material Input et TMR Total Material Requirement and WSF-quan Quantitative Water Scarcity Footprint.

Dans la phase de construction, les pressions environnementales les plus élevées sont les besoins totaux en matériaux et l'apport de matières premières du CSP, qui sont principalement associés aux besoins en gravier et en sable dans l'approvisionnement en amont (Données supplémentaires 2 à 8). Vient ensuite l'occupation des terres principalement sur le site du CSP. L'empreinte qualitative de la pénurie d'eau du CSP ainsi que sa demande énergétique cumulée et son impact sur le réchauffement climatique, entre autres en raison de la demande et de l'utilisation du charbon dans la chaîne d'approvisionnement, sont de sévérité moyenne. L'apport de matières premières et les besoins totaux en matériaux de l'hydroélectricité ROR sont également de sévérité moyenne en raison des besoins en gravier et en sable. Les pressions environnementales de l'incinération de la bagasse sont toujours les plus faibles, qu'elle soit considérée comme un produit ou un déchet. Le ratio des indicateurs pour les phases de construction semble très similaire pour toutes les études de cas (Fig. 3).

La phase d'exploitation est plus pertinente sur le plan environnemental que la phase de construction pour le CPP et l'incinération de la bagasse (sous-produits et déchets), mais pour le ROR hydroélectrique et le CSP, elle est moins pertinente (Fig. 3) sauf pour l'empreinte quantitative de la rareté de l'eau. La pression environnementale la plus élevée est la demande en eau sur site du CSP en raison des pertes d'eau de refroidissement et de rinçage dans le désert marocain. La deuxième plus élevée est la demande d'énergie fossile cumulée du CPP. Il est à 64% associé à l'extraction de houille en Russie, car la LCIA évalue les vecteurs énergétiques au stade de l'extraction. Viennent ensuite d'autres pressions associées à la demande et à l'utilisation de charbon du CPP, à savoir l'impact sur le réchauffement climatique, l'apport de matières premières, les besoins totaux en matériaux et l'empreinte qualitative de la pénurie d'eau. L'incinération de la bagasse a une demande en eau agricole sur site supérieure à la moyenne et son occupation des terres et son impact sur le réchauffement climatique, qui sont également principalement liés aux activités sur site, sont de gravité moyenne. L'hydroélectricité ROR est responsable des pressions les plus basses.

En ce qui concerne les impacts environnementaux, l'impact global de l'incinération de la bagasse et du CSP sur la qualité de l'écosystème est inférieur d'un ordre de grandeur inférieur à celui du CPP (Fig. 4, Tableaux supplémentaires 1 et 2, et Données supplémentaires 9 et 10), ce qui signifie qu'il n'y a ici que des économies mineures par rapport à l'électricité au charbon. Pour la santé humaine, seule l'hydroélectricité ROR est considérablement moins nocive. En phase construction, la combustion du charbon a le plus fort impact sur la santé humaine, suivie de près par la combustion de la bagasse (sous-produit et déchet). En phase d'exploitation, les impacts sur la qualité des écosystèmes sont plus importants que sur la santé humaine : la combustion du charbon a les impacts les plus élevés, tandis que la culture de la canne à sucre n'est responsable que de résultats légèrement inférieurs associés à l'incinération de la bagasse.

Les résultats sont présentés par des indicateurs a, b pour la phase de construction (barres jaunes) et d'exploitation (barres bleues) respectivement, sur une échelle logarithmique (détails Fig. 2). ROR au fil de l'eau, centrale solaire à concentration CSP, Bagasse inc. Incinération de la bagasse, centrale électrique au charbon CPP.

Les points névralgiques spatiaux d'une étude de cas sont les endroits où se déroulent les activités avec les plus fortes pressions environnementales. Pour les identifier et évaluer les points chauds de manière comparative, pour chaque pression, les résultats des activités individuelles sont normalisés par la médiane des résultats de toutes les activités dans toutes les études de cas, additionnés par emplacement et regroupés par étude de cas. Les résultats normalisés sont présentés sur une échelle de 1 à 100, ce qui signifie que la valeur brute est de 1 à 100 fois la médiane. Les valeurs inférieures à 1 ne sont pas considérées comme des hotspots et les valeurs supérieures à 100 sont fixées à un maximum de 100. Les hotspots peuvent être des pays ou des régions ainsi que des points individuels et peuvent comprendre plusieurs activités ou plusieurs pressions de la même activité. L'occupation des terres n'est pas prise en compte dans l'analyse spatiale des points chauds car elle ne contient pas les informations nécessaires pour une évaluation spatiale significative de l'occupation et de l'utilisation des terres. En outre, les impacts environnementaux, qui représentent les approches des points finaux de l'ACV, ne sont pas inclus, car on peut supposer que, dans la perspective des points finaux, les effets nocifs se produisent au-delà des emplacements appartenant aux activités. La localisation associée ne représente donc pas nécessairement la localisation de l'effet nocif.

En général, le plus grand nombre de points chauds est dû au CSP (Fig. 5), tandis que les points chauds les plus graves se trouvent dans le CPP avec quelques points chauds dépassant de loin le maximum de 100 (Données supplémentaires 11). Le plus petit nombre de points chauds est associé à l'incinération de la bagasse (sous-produits et déchets), tandis que les points chauds les plus mineurs sont liés à l'incinération des déchets-bagasse. Dans la répartition des hotspots, les phases de construction et d'exploitation diffèrent de manière frappante.

Les hotspots sont marqués en couleur, ils peuvent être des points uniques (représentés par des cercles colorés), des pays ou des régions (représentés par des polygones colorés). La couleur indique le rapport entre les résultats d'un point chaud normalisé et la médiane de toutes les études de cas, tandis qu'une valeur de 1 à 10 est considérée comme un point chaud de faible, 10 à 30 de moyen, 30 à 50 de haut et 50 à 100 ainsi que plus de 100 de très haute gravité. Des cartes haute résolution des pressions environnementales individuelles sont disponibles dans les figures supplémentaires. 1–7.

Dans la phase de construction, le CSP provoque les points chauds les plus importants et les plus graves au monde, principalement liés à l'extraction primaire des vecteurs énergétiques, du chlorure de potassium pour le stockage de l'électricité et des métaux. En deuxième position se trouve l'hydroélectricité ROR, qui a un coût de construction important par rapport au rendement électrique. Les points chauds moyennement sévères de l'hydroélectricité ROR sont associés à l'extraction primaire de vecteurs énergétiques et de matériaux de base pour la construction, tels que le fer et l'argile. La construction du CPP ne provoque que des points chauds de très faible gravité, principalement liés à l'extraction du fer et à la production d'acier. L'incinération de la bagasse, que la bagasse soit considérée comme un sous-produit ou comme un déchet, n'est pas vraiment responsable des points chauds, puisque seules de petites parties des installations de la sucrerie sont attribuées à la conversion de la bagasse en électricité.

En phase d'exploitation, toutes les études de cas ont à peu près le même nombre de points chauds, hors ROR hydroélectrique, alors que ceux du CPP sont les plus sévères. Il s'agit principalement des mines de charbon russes dont le CPP tire son charbon, mais la production de gaz naturel en Russie, nécessaire à l'approvisionnement en amont, est également représentée. Les points chauds moyennement sévères en Chine sont liés à l'extraction du charbon. La demande en eau sur site pour la culture de la canne à sucre est le point chaud le plus grave de l'étude de cas sur la bagasse, suivie par la production de pétrole au Moyen-Orient et en Russie. Les points chauds moyennement sévères sont liés à l'extraction primaire de vecteurs énergétiques et de métaux. En troisième place se trouve le CSP avec un hotspot dominant sur site, qui est dû aux pertes par évaporation résultant du refroidissement par l'eau de l'usine et du nettoyage des miroirs et dépasse de loin 100 comme le plus grand de tous les hotspots. Les hotspots moyens sont connectés à la production de gaz naturel aux États-Unis et en Russie. Pour les déchets-bagasse, les pertes par évaporation du système de chaudière sur site sont les plus importantes. D'autres points chauds sont de gravité moyenne, liés à l'exploitation minière en Chine et en Australie, et de très faible gravité. Un seul point chaud est attribuable à l'hydroélectricité ROR, qui découle de l'évaporation de l'eau sur place à la suite de la retenue supplémentaire.

L'évaluation de l'information spatiale est au cœur de ce travail. Cependant, le degré de régionalisation des activités peut varier considérablement : les activités qui ont été spatialement désagrégées dans ce travail sont ponctuelles, alors que la résolution spatiale des activités de la base de données ACV utilisée peut aller du niveau national à la région ou du niveau continental au niveau mondial, ce dernier signifiant autant qu'inconnu. Afin de rendre la régionalisation transparente, un indice de qualité est attribué à tous les emplacements, où la qualité 1 correspond aux coordonnées des points, la qualité 2 aux pays, la qualité 3 aux régions, la qualité 4 aux emplacements irréalistes (par exemple, l'argile de Suisse pour les études de cas sur la bagasse) et la qualité 5 aux emplacements inconnus. Le niveau de régionalisation est la proportion d'activités régionalisées dans une étude de cas, c'est-à-dire d'activités auxquelles un emplacement de qualité 1 à 3 est attribué (tableau complémentaire 3). Il est en moyenne de 56 %, allant de 41 % (exploitation de ROR hydraulique) à 88 % (exploitation de CPP). Les emplacements de qualité 4–5 ne sont pas inclus dans l'analyse des points chauds, bien que leur part soit de 44 % en moyenne. Il faut supposer que les points névralgiques spatiaux présentés ici représentent un minimum, puisque les activités à des endroits inconnus font néanmoins partie de la chaîne d'approvisionnement d'une étude de cas. Leur allocation spatiale renforcera probablement les hotspots spatiaux existants ou en créera de nouveaux.

Outre la localisation des activités dans les chaînes d'approvisionnement mondiales, il est important de prendre en compte le type d'activités, en particulier pour identifier les activités à résolution spatiale faible ou inexistante. Les activités les plus importantes qui n'ont pas été incluses dans l'analyse des points chauds en raison d'une régionalisation inconnue ou douteuse sont l'extraction de sable, de gravier, d'uranium, de pétrole et de gaz, le traitement de l'aggloméré, de la fonte brute, de l'ammonium, de l'acide nitrique, du nitrate de sodium, de la chaux vive et du clinker, la production de polyéthylène, la foresterie, l'utilisation de diesel dans les machines de construction ainsi que le traitement des résidus sulfurés, des déblais et des déchets.

La charge environnementale des phases de construction est généralement répartie sur plusieurs activités, tandis que les phases d'exploitation sont plus spécifiques (Fig. 6). Les activités sur site qui influencent moins les indicateurs sont les plus pertinentes pour la charge environnementale totale. Cela signifie qu'il existe des pressions et des impacts environnementaux sévères spécifiques sur le site. Les deuxièmes plus pertinentes sont l'exploitation minière et l'extraction du charbon, ce qui se reflète également dans l'analyse des points chauds. Vient ensuite la foresterie qui est sous-représentée dans l'analyse spatiale des points chauds mais qui peut représenter jusqu'à 24 % de la charge environnementale totale (tableau supplémentaire 4). En quatrième position se trouve le raffinage, qui apparaît également dans l'analyse spatiale des points chauds. La production de diesel, de pétrole et de gaz, la production de chaleur et d'électricité et la production de polyéthylène peuvent également contribuer à la charge environnementale, bien que les parts soient généralement faibles en comparaison. Derrière la part importante des autres activités dans les études de cas sur la bagasse, il y a des pressions dans la chaîne en amont qui résultent de la construction des turbines pour la production d'électricité.

Les nombres représentent le nombre de pressions et d'impacts environnementaux auxquels une catégorie contribue. Par exemple, dans la phase de construction de la ROR, les activités minières hydroélectriques apparaissent dans l'évaluation de six indicateurs LCIA. Les couleurs représentent la part d'une catégorie dans la charge environnementale totale d'une étude de cas. 1Exploitation minière sans extraction de houille, 2combustion de diesel, 3production de pétrole et de gaz (naturel), 4production d'électricité et de chaleur, 5production de polyéthylène. ROR au fil de l'eau, centrale solaire à concentration CSP, Bagasse inc. Incinération de la bagasse, centrale électrique au charbon CPP, Op Operation, Con Construction.

L'analyse des incertitudes est réalisée par Monte Carlo Simulations à l'aide du logiciel openLCA (voir "Disponibilité des données"). Les valeurs stochastiques (moyenne et médiane) sont déterminées à partir des simulations de Monte Carlo pour chaque résultat d'indicateur de chaque étude de cas, respectivement pour la construction et l'exploitation. La distribution du logarithme du rapport des résultats moyens aux indicateurs, appelés statiques, et médianes à statiques, est analysée pour les résultats des indicateurs médians de toutes les études de cas (Fig. 7, détails et analyse des indicateurs de paramètres, voir Notes supplémentaires 2, Données supplémentaires 12 et Tableau supplémentaire 5). Il montre un fort pic entre 0 et 1, où le rapport des paramètres est de 1 à 10, respectivement. Dans l'ensemble, les valeurs stochastiques de la simulation de Monte Carlo ont tendance à être plus grandes que les valeurs statiques, ce qui est typique des modèles ACV, si tous les paramètres d'entrée sont représentés par des distributions log-normales13. La forme de la distribution de la Fig. 7 correspond à ce que d'autres auteurs ont trouvé pour les simulations de Monte Carlo des modèles ACV13. Cependant, les incertitudes sont considérablement plus grandes dans l'ensemble, ce qui est à prévoir pour l'analyse des chaînes d'approvisionnement mondiales étendues14. Les grandes valeurs aberrantes négatives se produisent avec l'indicateur RMI pour les études de cas d'incinération de déchets de bagasse et le CPP, c'est-à-dire que les valeurs stochastiques sont beaucoup plus petites que les valeurs statiques. Comme l'indicateur TMR, qui inclut le RMI, ne produit pas de valeurs aberrantes pour les mêmes études de cas, une erreur statistique peut être supposée ici.

Ceux-ci incluent les résultats de toutes les études de cas, respectivement pour la construction et l'exploitation. Les ratios sont présentés sur une échelle logarithmique, ce qui signifie que la valeur est 0, si les valeurs statiques et stochastiques (moyenne ou médiane) sont égales. Les boîtes à moustaches affichent l'analyse statistique des ensembles de données (25e centile, médiane et 75e centile), tandis que les points noirs représentent les valeurs aberrantes.

Le CPP est responsable des plus grandes pressions et impacts environnementaux le plus souvent. En raison de la demande et de l'utilisation du charbon, la demande d'énergie fossile cumulée, l'impact sur le réchauffement climatique, l'apport de matières premières, les besoins totaux en matériaux et les impacts sur la qualité de l'écosystème sont les plus élevés de toutes les études de cas. Les points chauds associés sont les plus graves de toutes les études de cas.

Cependant, cela ne s'applique pas à toutes les catégories de pression et d'impact : toutes les études de cas d'énergie renouvelable montrent une empreinte quantitative de pénurie d'eau supérieure à celle du CPP, non pas dans la chaîne en amont, mais principalement sur site. En particulier, le CSP se distingue, où l'eau est utilisée pour refroidir l'usine et laver les miroirs. Lors du calcul de l'empreinte de la pénurie d'eau, le niveau de stress hydrique élevé du désert marocain, où l'eau est environ 60 fois plus rare qu'en Allemagne15, a un effet important. La deuxième empreinte de pénurie d'eau la plus élevée est la culture de la canne à sucre dans le bassin du Rio dos Patos, suivie de l'hydroélectricité ROR en raison de l'évaporation du marigot des barrages sur le Danube. Si la bagasse est utilisée comme déchet, elle a au moins la même demande en eau que le CPP. Compte tenu de la pénurie d'eau régionale croissante16, la forte demande en eau des études de cas renouvelables est un problème majeur pour les technologies étudiées. Entre autres, l'accent mis sur l'éolien et le photovoltaïque, qui peuvent consommer moins d'eau pendant leur fonctionnement, pourrait renverser cette situation en faveur des énergies renouvelables. En ce qui concerne l'occupation des terres, qui résume l'occupation physique pure des terres des études de cas, le DSP, les études de cas de la bagasse et le CPP sont à peu près au même niveau. Le CSP a un grand besoin en terres sur place, suivi de la culture de la canne à sucre pour la sucrerie qui est comparable à l'occupation des terres de l'extraction du charbon, le plus grand consommateur de terres dans la chaîne d'approvisionnement du CPP.

En comparant uniquement les systèmes de production d'électricité renouvelable, le CSP est de loin associé aux pressions et impacts environnementaux les plus importants en raison de sa forte demande en ressources avec une multitude de points chauds d'extraction primaire dans le monde entier. Ses performances environnementales sont médiocres par rapport aux autres technologies d'électricité renouvelable. De plus, les économies sont faibles par rapport à l'électricité au charbon. Nous concluons donc que la technologie CSP telle qu'elle est considérée ici doit être considérée comme critique. Les efforts visant à développer des centrales solaires à concentration dans les pays à fort rayonnement solaire, également pour l'exportation17, sont susceptibles de déplacer les problèmes environnementaux, s'ils ne parviennent pas à rendre leur construction moins gourmande en ressources et à réduire considérablement la consommation d'eau. Le refroidissement à sec est un concept prometteur ici, tandis que le dessalement de l'eau est une option s'il peut être garanti qu'il n'entraîne pas d'autres problèmes, par exemple des dommages à la vie marine en rejetant de la saumure18. Le besoin élevé en terres peut également devenir un problème si la technologie est encore développée. Cependant, l'occupation physique du sol, prise en compte ici pour représenter l'empreinte terrestre, ne peut servir que d'estimation initiale des effets environnementaux associés.

Aucune des études de cas examinées ne fournit d'importantes économies dans toutes les catégories par rapport à la production d'électricité au charbon. Le plus souvent, l'hydroélectricité ROR a les pressions et les impacts environnementaux les plus faibles avec une large marge sur le CPP, cependant, l'apport de matériaux pour construire six barrages avec un rendement énergétique relativement faible est élevé et aucune eau n'est économisée par rapport à la centrale électrique au charbon. En outre, il existe d'autres impacts connus sur les systèmes fluviaux, par exemple la modification du régime d'écoulement naturel et la dégradation de l'écosystème fluvial19, qui n'ont pas été pris en compte ici. L'électricité provenant des déchets de bagasse présente la deuxième charge environnementale la plus faible, suivie de l'incinération de la bagasse qui entraîne des charges médianes. Les études de cas sur la bagasse sont particulièrement convaincantes dans la phase de construction où des économies sont possibles par rapport à la construction des autres systèmes. Cela témoigne de l'idée que les systèmes intégrés peuvent avoir de grands avantages environnementaux. Les résultats permettent d'évaluer l'adéquation de la biomasse à la production d'électricité durable : les économies les plus importantes se situent dans l'utilisation intégrée, lorsque la biomasse utilisée est un véritable déchet et n'est pas spécifiquement cultivée à des fins de production d'électricité. Le RPC est le plus proche du fardeau du RPC et ne permet pas d'économies importantes comme nous l'avons vu précédemment.

Nous considérons ces résultats comme une indication importante que seule la prise en compte d'un large éventail d'impacts environnementaux lors de l'évaluation des technologies possibles peut contribuer à rendre la transition énergétique plus durable. Cela se fait encore trop peu11. Le concept énergétique allemand, par exemple, se concentre sur la protection du climat20 et l'Agence internationale pour les énergies renouvelables (IRENA) considère cela comme central (https://www.irena.org/energytransition). Cependant, la protection du climat ne suffit pas à elle seule pour une transition énergétique mondiale durable, comme l'indiquent les résultats de cette étude. Les impacts environnementaux des technologies appropriées doivent être faibles sur un large éventail de critères de durabilité21 afin de ne pas simplement déplacer les problèmes. Pour évaluer la performance environnementale des différentes technologies, une LCIA de l'ensemble de la chaîne d'approvisionnement selon divers critères de durabilité est indiquée.

Étant donné que la rareté régionale ou les impacts régionaux peuvent jouer un rôle pour certaines ressources, les pressions et les impacts environnementaux doivent en outre être localisés dans l'espace. Les analyses ACV spatiales détaillées n'étant pas encore une procédure standard11, la méthodologie et les applications présentées ici visent à contribuer à l'avancement de la démarche. Notre analyse des points chauds LCIA peut (1) présenter une multitude de résultats LCIA de différentes études de cas de manière comparable sur une échelle unifiée, (2) identifier les pressions environnementales liées à la chaîne d'approvisionnement en fonction de l'emplacement et du type d'activité, et (3) peut montrer où et à quels points des chaînes d'approvisionnement il y a un besoin pour quel type d'action. Les points chauds les plus importants des études de cas examinées et leurs implications sont les suivants :

(1) La majorité des hotspots spatiaux sont liés à l'approvisionnement en matériaux et en vecteurs énergétiques des activités minières, qui sont répartis dans le monde entier, avec un accent particulier sur la Russie, le Moyen-Orient, les États-Unis, l'Afrique et la Chine. Les activités minières sont importantes pour la charge environnementale totale de toutes les études de cas, même l'hydroélectricité de la RDR, et contribuent toujours à plusieurs pressions et impacts environnementaux. Selon le type de ressource minière, celles-ci peuvent être réduites par exemple en diminuant l'apport de matières premières grâce à des économies, en utilisant des ressources secondaires via le recyclage ou l'exploitation minière urbaine, ou en déplaçant les téléconnexions vers des régions moins critiques, par ordre décroissant. Dans le cas du CSP, par exemple, une combinaison des trois possibilités est envisageable, qui devrait initialement être examinée et ancrée dans la phase de planification.

(2) Pour les ressources dont la disponibilité régionale varie, les études de cas étudiées de production d'électricité renouvelable consomment en partie plus que le CPP, en particulier dans le cas de l'eau. Il n'y a pas grand-chose à faire pour les usines existantes; à tout le moins, les possibilités d'économies grâce à des améliorations technologiques devraient être explorées. Étant donné que la consommation d'eau des études de cas étudiées conduit à des points chauds sur site, dans le cas d'une nouvelle planification de barrages, de sucreries et d'usines CSP, la ressource critique doit toujours être prise en compte lors de la sélection du site. S'il n'y a aucune possibilité d'atténuer les impacts environnementaux, il faut se demander si la technologie correspondante peut réellement contribuer à une production d'électricité durable. Sur la base des résultats de ce travail, un tel impact critique est la consommation d'eau dans le désert marocain.

Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour surmonter les limites actuelles de l'analyse : (1) L'occupation physique des terres ne peut servir que de base à l'empreinte terrestre et devrait en perspective être liée à une évaluation appropriée en ce qui concerne les impacts sur la biodiversité. (2) La comparaison devrait être étendue à d'autres technologies renouvelables essentielles pour la production d'électricité, telles que le photovoltaïque ou l'éolien, ainsi que l'étape d'élimination, qui peut être importante en termes de toxicité pour l'homme, d'écotoxicité ou d'épuisement des ressources métalliques. (3) Les efforts déployés dans cette étude pour différencier spatialement les chaînes d'approvisionnement en minerais et les charges environnementales qui en découlent ne couvrent que quelques matières premières et ne peuvent être qu'un premier pas vers une représentation transparente des téléconnexions. Il existe un certain nombre d'activités avec des chaînes d'approvisionnement en amont faiblement localisées, à savoir l'extraction de gravier et de sable, le traitement des déchets, l'extraction de pétrole et de gaz, la production de produits chimiques de base et de matériaux de construction, la sylviculture ainsi que la production et l'utilisation de diesel. Lorsque des impacts environnementaux élevés rencontrent une faible régionalisation, des efforts supplémentaires doivent être faits pour détecter les impacts les plus graves des chaînes d'approvisionnement internationales. À long terme, des ensembles de données régionalisées pour toutes les ressources primaires au niveau infranational doivent être créés, intégrés dans les bases de données ACV et pris en compte dans les analyses de la chaîne d'approvisionnement afin de pouvoir représenter et évaluer au niveau régional les impacts environnementaux de l'extraction humaine. Cela peut initialement être fait en modélisant les marchés mondiaux à l'aide d'une combinaison d'ensembles de données et d'hypothèses, comme le montre cette étude, mais l'objectif à long terme devrait être de déterminer avec précision l'origine des ressources, par exemple en utilisant le traçage de la chaîne d'approvisionnement, l'analyse des empreintes digitales, etc. Ce n'est pas seulement une tâche permanente de la communauté ACV, mais les décideurs politiques, les fabricants et les fournisseurs sont également appelés à assurer une évaluation environnementale spatialement explicite de l'approvisionnement en amont, à côté de l'évaluation des questions économiques et des émissions de CO2.

L'ACV est réalisée en quatre étapes conformément à la norme DIN ISO EN 1404022. La phase 1 comprend la détermination de l'objectif et de l'étendue des analyses. L'unité fonctionnelle fournie par les quatre études de cas est définie comme 1 kWh d'électricité nette produite et les résultats sont liés à cela. La limite du système est définie pour déterminer quels processus le long de la chaîne de processus des quatre études de cas sont pris en compte dans l'ACV. La figure 1 montre que les processus de production d'électricité sont considérés ainsi que les chaînes d'approvisionnement associées, respectivement (seulement une sélection montrée dans la figure 1). Si nécessaire, une répartition par rapport aux différents produits sortants est effectuée (bagasse). Pour la bagasse, deux limites de système différentes sont considérées en comparaison, ce qui est décrit en détail ci-dessous. L'objectif général est de comparer les différentes études de cas de manière significative en ce qui concerne un large éventail d'impacts environnementaux et d'identifier les points chauds des charges environnementales, ce qui définit également la portée.

Dans la deuxième phase, l'analyse de l'inventaire, les modèles ACV sont conçus dans le logiciel openLCA. Ils sont basés sur des ensembles de données existants de la base de données ACV ecoinvent 3.523 qui sont étendus ou modifiés à l'aide de données spécifiques à des études de cas, car l'objectif de cette étude n'est pas la présentation d'un inventaire complet du cycle de vie. Après une collecte, une description et un examen des données spécifiques à l'étude de cas, les flux élémentaires depuis et vers l'environnement sont dérivés et ajoutés aux modèles en tant qu'entrées et sorties. Compte tenu des grandes différences entre les études de cas, on s'est efforcé de traiter les inventaires avec le même degré de précision et de considérer les mêmes flux élémentaires, lorsque cela était possible. De plus, l'inventaire est adapté pour inclure les flux élémentaires pertinents pour la phase d'évaluation. Des systèmes de produits sont créés, reliant les modèles des études de cas à la base de données ACV et fournissant la chaîne d'approvisionnement. Dans le cas de huit ressources minérales, les filières amont de la base de données ont été préalablement modifiées.

Dans la troisième phase, l'analyse d'impact, les systèmes de produits sont évalués à l'aide d'indicateurs sélectionnés. Dans les étapes de caractérisation et (éventuellement) de normalisation et de pondération, la contribution du système de produits aux différentes catégories d'impact est déterminée.

Dans la dernière phase, l'évaluation, les contributions sont analysées spatialement explicites et des analyses d'incertitude sont effectuées dans le contexte des conditions-cadres de la phase 1. Les approches médianes se réfèrent directement aux catégories d'impacts environnementaux, tandis que les approches finales décrivent les impacts sur les biens protégés Santé humaine, Qualité des écosystèmes et Ressources. Les deux approches sont utilisées dans cette étude, tandis que les effets finaux sur la santé humaine et la qualité des écosystèmes sont évalués. L'ACV est considérée ici depuis l'utilisation des matières premières jusqu'à la production (cradle to gate). Les résultats pour la phase de construction des installations (bâtiments, infrastructures, machines) et la phase d'exploitation (production) sont présentés séparément, ce qui est bien adapté à la comparaison des systèmes énergétiques24. La phase de construction est également liée à l'unité fonctionnelle de 1 kWh.

Dans ce qui suit, les modèles d'ACV des quatre études de cas sont décrits comprenant des informations générales, l'ensemble de données ecoinvent 3.523 utilisé, des modifications pour la phase de construction et d'exploitation, une définition de l'unité fonctionnelle ainsi que l'approche d'allocation ainsi que des informations sur le traitement spécial des données (accès à l'inventaire du cycle de vie, voir déclaration "Disponibilité des données"). Les quatre études de cas ont été sélectionnées dans le cadre d'un projet de recherche mené en coopération avec des partenaires de pratique locaux. Le partenaire de pratique a fourni des connaissances et des données internes de première main, ce qui a ouvert la possibilité de comparer les quatre études de cas en termes d'un large éventail d'impacts environnementaux basés sur des données réelles.

L'étude de cas (a), la centrale hydroélectrique ROR sur le Danube, consiste en six barrages entre les villes bavaroises d'Oberelchingen et de Faimingen. Les centrales ont été construites de 1960 à 1965 et sont équipées chacune de deux turbines Kaplan à double réglage avec arbre fixe et d'une génératrice synchrone montée directement. Les hauteurs de chute sont de 5 à 7 m, les capacités sont de 7 à 10 MW et une moyenne d'environ 50 GWh est générée annuellement par barrage (informations du site Internet de l'opérateur Bayerische Elektrizitätswerke GmbH). Un ensemble de données ecoinvent 3.5 pour une centrale hydroélectrique ROR européenne moyenne est pris comme base pour modéliser l'étude de cas. Pour la phase de construction, les zones qui ont été transformées pendant la construction ou qui sont occupées par des installations d'étude de cas sont analysées en évaluant des images satellite librement accessibles. La transformation dite de zone humide, de masses d'eau, de zone industrielle, de zone de circulation et de masses d'eau (visible sur les images satellites des renflements, Notes complémentaires 3 et Fig. 8 complémentaires) ainsi que l'occupation de la rivière sont considérées comme des flux élémentaires. Pour les autres études de cas, une approche similaire a été adoptée en fonction des informations disponibles auprès des opérateurs et des évaluations d'images satellitaires. Pour la phase d'exploitation, une consommation d'eau turbinée de 111 m3 kWh−1 est calculée à l'aide de l'équation P = Q × h × c1 (P : capacité en W, Q : débit d'eau en m3 s−1, h : hauteur de chute en m, c1 = 8,5 KN m−3, cette dernière incluant la gravité, la densité de l'eau et un rendement de l'installation de 85 %). Les pertes par évaporation de la retenue supplémentaire pendant la phase d'exploitation sont calculées à 0,02 m3 kWh-1 en tenant compte d'une transformation totale en masses d'eau par les six barrages d'environ 1 million de m2 et d'un taux d'évaporation de 643 l m-2 a-1 comme décrit dans la littérature pour des latitudes similaires25. La différence avec l'eau d'entrée, c'est-à-dire l'eau traversant moins les pertes par évaporation, est modélisée comme une émission dans l'eau. En raison de leur grande proximité spatiale, les six barrages étaient équilibrés. L'unité fonctionnelle de la phase d'exploitation est de 1 kWh pour tous les cas d'étude. L'inventaire de la phase de construction est également rapporté à 1 kWh en utilisant un facteur dérivé de la capacité totale des six barrages de 52 MW, une production annuelle de 50 millions de kWh et une durée de vie de 80 ans26 pour le ciment dans les barrages, les tunnels et les unités de contrôle (cette dernière n'étant prise en compte que dans la conversion pour la phase de construction). Une durée de vie plus courte de l'acier pour turbines et tubes de 40 ans est déjà envisagée dans le procédé original ecoinvent 3.5.

Étude de cas (b), le CSP Noor I, qui a démarré ses activités en 2016, est situé dans le désert marocain près de la ville de Ouarzazate. L'emplacement a l'un des niveaux de rayonnement solaire les plus élevés au monde avec 2635 kWh m−2 par an. Le soleil brille presque 365 jours. La centrale de 160 MW se compose d'un champ solaire, d'un bloc de puissance et d'un stockage d'énergie thermique. Dans le domaine solaire, les capteurs cylindro-paraboliques utilisent le rayonnement solaire pour chauffer un fluide caloporteur. Le bloc d'alimentation, composé d'un système de génération de vapeur, d'un surchauffeur, d'une turbine, d'un réchauffeur, d'un condenseur, d'un préchauffeur, d'une chaudière en option, d'échangeurs de chaleur, d'une tour de refroidissement et de pompes, reçoit ce fluide pour le convertir en électricité. Le stockage thermique, pour produire de l'électricité en l'absence de rayonnement solaire, est à base de sel fondu, un mélange de 60 % de nitrate de sodium et 40 % de nitrate de potassium27. Contrairement aux projets de suivi Noor dans la région, le système de refroidissement de Noor I repose toujours sur l'eau, et l'eau est également nécessaire pour éliminer le sable des panneaux solaires. Il est prélevé sur le réservoir voisin El Mansour Eddahbi. Un ensemble de données ecoinvent 3.5 pour un CSP de 50 MW est pris comme base pour modéliser l'étude de cas. Pour la phase de construction, une occupation d'environ 40 millions de m2 par zone industrielle est considérée et une consommation totale d'eau de 0,3 million de m3 déclarée par l'exploitant est ajoutée à l'inventaire. Pour la phase d'exploitation, l'énergie de flux élémentaire, solaire, convertie est ajoutée pour tenir compte de l'apport d'énergie solaire. Il est calculé en divisant la production d'énergie de 1 kWh par 25 %, ce qui correspond à l'efficacité de la conversion de l'énergie thermique en électricité28. Pour l'analyse ACV, ce n'est pas l'apport énergétique total qui est pris en compte, mais l'efficacité du système après la conversion de la chaleur solaire en énergie thermique. Si l'on considère le rendement de la conversion de l'énergie solaire en énergie thermique d'environ 59 %28, le rendement global de la conversion de l'énergie solaire en électricité serait de 15 %, ce qui est également utilisé dans d'autres études29. La demande en eau a été modélisée conformément aux informations fournies par l'exploitant : Une consommation d'eau d'environ 0,005 m3 kWh−1 est envisagée pour le refroidissement et le nettoyage des panneaux solaires pour éliminer le sable. L'apport d'eau est comptabilisé comme une perte par évaporation car aucune eau n'est rechargée dans le réservoir mais collectée sur site dans des bassins d'évaporation ou réutilisée si possible. L'inventaire de la phase de construction est rapporté à 1 kWh en utilisant un facteur dérivé de la capacité totale de 160 MW, une production annuelle nette de 370 millions de kWh (informations aimablement fournies par l'opérateur) et une durée de vie de 30 ans30 (cette dernière n'étant prise en compte que dans la conversion pour la phase de construction).

Dans le bassin du Rio dos Patos, au Brésil, la canne à sucre est cultivée sur une surface totale disponible de 65 000 ha de pâturages anciennement dégradés (étude de cas (c)). La canne à sucre est transformée pendant neuf mois de l'année par les sucreries Jalles Machado et Otávio Lage, toutes deux situées à Goianésia et qui ont commencé à fonctionner en 1980 et 2011. Au début, les plantes fraîches sont broyées pour séparer les fibres végétales de l'eau de canne à sucre, qui est ensuite transformée pour produire principalement du sucre et de l'éthanol ainsi que de la levure comme sous-produit. Les eaux usées de la distillerie, appelées vinasse, sont renvoyées dans les champs comme irrigation et engrais pour compléter le cycle. Les fibres végétales pressées, appelées bagasse, sont brûlées pour produire de l'électricité via un système de chaudières, de turbine à vapeur et de générateur. L'électricité est en partie utilisée pour l'auto-approvisionnement et sinon injectée dans le réseau électrique. De plus, la chaleur générée est introduite dans le processus de fermentation du sucre. Comme 54 % de la canne à sucre produite annuellement est irriguée et que la région peut être fréquemment exposée à la pénurie d'eau pendant la saison sèche, l'exploitant déploie des efforts considérables pour réduire régulièrement la consommation d'eau dans l'agriculture et l'industrie : Outre des stratégies de plantation et de récolte élaborées ou l'utilisation de plantes efficaces, l'accent est mis sur la gestion stratégique de l'eau : Alors qu'en 2018, 45 % de l'irrigation consistait en une irrigation de récupération (une seule application d'environ 40 mm d'eau de surface avec un chariot mobile pendant la période de croissance), 1 7% était une irrigation déficitaire avec entre 25 et 50% du déficit hydrique de la plante fourni. Le retour de la vinasse et des eaux de traitement résiduelles du moulin vers les champs est un autre élément clé de la stratégie d'irrigation et représentait 37 % de l'irrigation totale en 2018. Les années plus sèches peuvent exiger plus d'irrigation de récupération, ce qui peut entraîner un déplacement des parts. Cette information a été aimablement fournie par l'opérateur Jalles Machado S/A Açúcar e Álcool. Le modèle ACV a été appliqué avec deux approches d'allocation différentes pour l'analyse de la production d'électricité à partir de la bagasse (Fig. 1) qui diffèrent en ce que (1) la bagasse est considérée comme un sous-produit de la production de sucre et d'éthanol et (2) comme un déchet de celle-ci. Du point de vue de l'ACV, il s'agit d'une question cruciale : dans l'étude de cas brésilienne, la bagasse est considérée comme un pur déchet car la canne à sucre est cultivée exclusivement pour la production de sucre et d'éthanol. De plus, il n'y a pas de frais d'élimination de la bagasse qui la classerait parfaitement comme déchet. Mais puisque l'électricité est vendue, la bagasse pourrait également se voir attribuer une valeur économique en tant que source d'énergie. De ce fait, de nombreux auteurs procèdent d'emblée à une allocation des sous-produits (par exemple Botha et Blottnitz 200631, Lopes Silva et al. 201432, Mashoko et al. 201333 et Ramjeawon 200834). Afin de pouvoir traiter des réalités différentes, notamment dans une comparaison internationale, les deux approches ont été considérées dans cette étude de manière comparative. L'approche ACV des sous-produits est basée sur un ensemble de données d'ecoinvent 3.5 pour l'électricité issue de la canne à sucre35. Pour la phase de construction, une turbine à gaz de 40 MW et des flux élémentaires pour la transformation d'environ 500.000 m2 de pâturage en zone industrielle et l'occupation de la zone industrielle sont ajoutés. Pour la phase d'exploitation, le pouvoir calorifique de la canne à sucre de 5 MJ kg-1, la transformation du pâturage en culture annuelle irriguée et non irriguée, l'occupation par la culture annuelle irriguée et non irriguée et une évapotranspiration de 0,38 m3 kg sont considérés dans l'étape de production de la canne à sucre (informations aimablement fournies par l'opérateur). Dans l'étape de production d'électricité du processus, une demande nette en eau de 0,008 m3 kWh−1 due aux pertes par évaporation du système de chaudière est prise en compte (informations aimablement fournies par l'opérateur). Pour le modèle des sous-produits, une allocation économique du jus de canne à sucre, qui sert de matière première pour la production de sucre et d'éthanol, et des fibres de canne à sucre, c'est-à-dire la bagasse, est effectuée dans une étape de production en amont par rapport aux prix courants du marché (Données supplémentaires 13). La quantité de bagasse utilisée par kWh produit est calculée à partir de son pouvoir calorifique élevé36 de 16 MJ kg−1 à 0,22 kg kWh−1. Le modèle de déchets ACV est basé sur les mêmes données ecoinvent 3.5. Pour la phase de construction, seule la turbine à gaz de 40 MW est considérée sans modifications. Pour la phase d'exploitation, seule l'étape de production d'électricité du procédé est considérée avec une demande nette en eau de 0,008 m3 kWh−1 (voir ci-dessus). L'inventaire de la phase de construction est rapporté à 1 kWh en utilisant un facteur qui est dérivé d'une production annuelle nette de bagasse de 700 millions de kg, d'une capacité de turbine de 40 MW, d'une durée de vie de 50 ans (informations aimablement fournies par l'opérateur) et d'une part estimée de l'infrastructure de traitement de la bagasse dans la sucrerie totale de 5 %.

L'étude de cas (d), le CPP Heyden à Petershagen, sur la rivière Weser sert de référence pour la production d'électricité conventionnelle dans cette étude. Mise en service en 1987, elle reste la centrale électrique la plus puissante d'Allemagne avec une capacité nette de 875 MW qui fonctionnera probablement jusqu'à la fin de 2025. Le combustible est de la houille provenant principalement de Russie. Les gaz résiduaires issus de la combustion sont purifiés en les faisant passer progressivement dans des installations de dénitrification, de dépoussiérage et de désulfuration. Les eaux usées sont également traitées, y compris l'une des premières usines d'ultrafiltration au monde. Pendant son fonctionnement, le CPP produit des sous-produits tels que des cendres de combustion, du gypse et des scories qui sont réutilisés à différentes fins. Ces informations ont été aimablement fournies par l'exploitant Uniper Kraftwerke GmbH. Un ensemble de données ecoinvent 3.5 pour un CPP européen moyen est pris comme base pour modéliser l'étude de cas et aucune modification n'est apportée pour la phase de construction. Pour la phase d'exploitation, la demande nette en eau est estimée à 0,001 m3 kWh−1, ce qui représente la perte due à l'apport d'eau de refroidissement, et une multitude d'apports de matières et d'émissions dans l'air et l'eau, tels que le cadmium et le mercure, sont ajoutés (aimablement fournis par l'opérateur). L'allocation économique de l'électricité et des sous-produits est négligée, car leur valeur économique est trop faible. L'inventaire de la phase de construction est lié à 1 kWh en utilisant un facteur dérivé d'une production totale d'électricité de 1 011 kWh sur une durée de vie de 35 ans avec la sortie du charbon allemand également prise en compte et une capacité de 920 MW (informations aimablement fournies par l'opérateur).

Les chaînes d'approvisionnement des matières premières minérales aluminium, cuivre, charbon, ciment, fer et acier, lithium et phosphore sont régionalisées au niveau du site minier et insérées dans la base de données ACV ecoinvent 3.5. Une description détaillée de la procédure et des données associées est présentée dans les notes complémentaires 7. Essentiellement, les données de production mondiale pour les produits minéraux sélectionnés sont prises (voir la déclaration « Disponibilité des données ») pour sélectionner les pays qui représentent la plus grande part de la production mondiale, de sorte que 80 % de la production mondiale a été couverte. Les sites miniers dans les pays sélectionnés (voir la déclaration de disponibilité des données) sont regroupés à l'aide d'une analyse des points chauds, en tenant compte de la distance et du stress hydrique régional, ce qui donne un maximum de cinq sites miniers par pays, chacun représentant une région minière entière. Ces sites sont ajoutés à la base de données ACV en tant que processus uniques et liés aux chaînes d'approvisionnement existantes dans la base de données en fonction de leur part dans la production mondiale. Par exemple, pour le CPP, on sait que la houille provient exclusivement de Russie, mais lorsqu'aucune donnée spécifique aux études de cas n'est disponible, les chaînes en amont régionalisées de la manière décrite sont liées aux études de cas. Ces chaînes d'approvisionnement représentent l'origine la plus probable d'un produit minéral particulier, sur la base des volumes de production mondiaux.

Afin de couvrir un large éventail d'impacts environnementaux, un certain nombre d'indicateurs LCIA sont pris en compte. En premier lieu, les empreintes ressources, qui couvrent déjà plus de 80 % de tous les impacts environnementaux12, sont à prendre en compte. Pour le climat37, des méthodes d'empreinte énergétique, terrestre, matérielle et hydrique sont retenues, qui quantifient et évaluent les flux élémentaires, l'empreinte étant entendue ici comme une valeur pondérée selon certains critères. En outre, l'ensemble d'indicateurs doit répondre aux exigences de l'évaluation d'impact environnemental allemande, qui est un instrument de politique environnementale en Allemagne pour évaluer les projets pertinents sur le plan environnemental pour les impacts environnementaux possibles avant l'approbation, est également inclus. En revanche, l'évaluation ACV ne se limite pas à la phase de planification. De plus, les analyses ACV évaluent également les impacts environnementaux à distance associés à la chaîne d'approvisionnement en amont, ce qui manque dans l'évaluation d'impact environnemental allemande. L'approche présentée ici est considérée comme une interface possible entre les indicateurs scientifiques et les applications pratiques.

Sur la base de l'analyse des besoins énergétiques cumulés38,39 le sous-indicateur Demande d'énergie fossile cumulée (CEDfo) de la mise en œuvre de l'ACV de Hischier et al. 201040 est utilisé dans cette étude comme empreinte énergétique : il résume l'énergie fournie par les vecteurs d'énergie fossile houille, lignite, pétrole brut, gaz naturel, effluents gazeux des mines de charbon ainsi que la tourbe, l'uranium et le bois et la biomasse des forêts primaires le long de la chaîne d'approvisionnement40 et les évalue en fonction du contenu énergétique en MJ équivalents m−3, kg−1 ou MJ−1. Ceci est mis en œuvre par multiplication avec les facteurs de caractérisation correspondants.

Pour l'empreinte climatique37, l'impact sur le réchauffement climatique est calculé selon la mise en œuvre de l'ACV IPCC 2013 en utilisant la catégorie d'impact changement climatique GWP100a (GWP100)40. Les flux élémentaires de dioxyde de carbone, de monoxyde de carbone, de chloroforme, de monoxyde de diazote, de différents composés d'éthane et de méthane, de monoxyde d'azote, de fluorure d'azote, d'hexafluorure de soufre ainsi que de composés organiques volatils sont résumés tout au long de la chaîne d'approvisionnement et évalués par rapport à leur potentiel de réchauffement global en kg équivalent CO2 kg−1.

Deux indicateurs représentent l'empreinte matière du produit41 : Pour le Raw Material Input (RMI), l'apport d'une multitude de matières abiotiques allant de l'aluminium au zirconium est résumé tout au long de la chaîne d'approvisionnement et évalué par rapport au "rapport de la masse de la matière première extraite (extraction utilisée) à la masse de la matière abiotique respective dans la matière première extraite en kg kg−1"42. Le Total Material Requirement (TMR) comprend l'apport de matières abiotiques similaires, qui s'apprécie par rapport au "rapport de la masse d'extraction non utilisée et de la masse de la matière première extraite pour la production de la matière mesurée en kg kg−1"42.

La consommation d'eau est déterminée et évaluée en tant qu'empreinte médiane de pénurie d'eau de l'ACV14. Il "évalue la probabilité sur site et à distance de pénurie naturelle d'eau douce pour les humains et la nature causée par l'utilisation de l'eau le long des chaînes d'approvisionnement humaines d'une manière spatialement explicite"14. L'empreinte quantitative de la rareté de l'eau (WSFquan) représente la consommation quantitative d'eau par l'évapotranspiration, l'eau incorporée dans le produit et le transfert d'eau à travers les limites du bassin en m3 d'eau pondérés au niveau régional. La pondération, qui porte sur le niveau de stress hydrique dans un pays, est réalisée respectivement avec la méthode LCIA AWARE15. L'empreinte qualitative de la rareté de l'eau (WSFqual), qui est le volume virtuel d'eau pondéré au niveau régional en m3 nécessaire pour diluer les émissions d'aluminium liées au procédé dans les masses d'eau à des concentrations sûres, n'est pas incluse dans cette étude. Schomberg et al. 202114 ont déjà souligné que le WSFqual est principalement dû au traitement des déchets dans les chaînes d'approvisionnement mondiales, en raison des fortes émissions d'aluminium. Comme nous ne pouvons pas fournir de nouvelles informations sur ces chaînes en amont, surtout pas spatialement explicites, le WSFqual ne fournirait pas de nouvelles informations.

Pour évaluer les impacts de l'utilisation des terres sur la biodiversité, il n'existe actuellement aucune LCIA médiane disponible qui convienne aux études de cas examinées. La Life Cycle Initiative a formulé une recommandation provisoire pour l'indicateur de perte potentielle d'espèces due à l'utilisation des terres43 en 2016, mais a également déclaré qu'il ne convient pas aux affirmations comparatives. Dans un rapport plus récent de 2019, l'approche LANCA®44 est recommandée pour évaluer les impacts de l'utilisation des terres sur la qualité des sols. Cependant, pour les fins de la présente étude, c'est plutôt la superficie totale occupée dans le cadre des études de cas et l'empiètement sur l'écosystème naturel par l'utilisation des terres qui nous intéressent. Par conséquent, l'occupation pure des terres est résumée le long des chaînes d'approvisionnement des études de cas en m2 × a sans aucune pondération afin de fournir les premières informations sur les téléconnexions possibles comme déjà Kaiser et al. 202145. Les changements d'affectation des terres ne sont pas évalués en l'absence d'une méthode appropriée jusqu'à présent.

La méthode d'ACV endpoint ReCiPe Endpoint (H,A)46 est utilisée pour révéler les dommages sur les biens protégés de l'ACV, la santé humaine et la qualité des écosystèmes. Le sous-indicateur Santé humaine (HuHe) résume les impacts dans les catégories changement climatique, toxicité humaine, rayonnements ionisants, appauvrissement de la couche d'ozone, formation de particules et formation d'oxydants photochimiques et les évalue selon des voies d'impact modélisées et harmonisées en points kg−1 ou m−2 ou m−2 a−1, respectivement. Le sous-indicateur Qualité de l'écosystème (ECO) résume les impacts dans les catégories occupation des terres agricoles, changement climatique, écotoxicité de l'eau douce, eutrophisation de l'eau douce, écotoxicité marine, transformation naturelle des terres, acidification terrestre et écotoxicité terrestre et les évalue de manière analogue.

Pour les indicateurs LCIA avec des sous-catégories, les résultats des sous-catégories individuelles sont additionnés pour recevoir les résultats totaux de l'indicateur : l'indicateur CEDfo, par exemple, comprend les sous-catégories fossile, nucléaire et forêt primaire, dont les résultats individuels ont été additionnés. Occasionnellement, en particulier pour le WSFquan, cette approche a supprimé les valeurs négatives qui peuvent par exemple se produire lorsque les ensembles de données de la base de données LCA contiennent des erreurs d'arrondi.

Une LCIA fournit non seulement un résultat global pour une pression ou un impact environnemental, mais montre également les contributions des activités individuelles. Le terme activité fait référence aux processus qui constituent la chaîne en amont d'une étude de cas. Une analyse systématique des nombreuses informations fournies par la LCIA est l'objet principal de cette étude et plusieurs étapes méthodologiques sont réalisées pour présenter les informations pertinentes de manière comparative :

(1) Comme une chaîne d'approvisionnement moyenne peut être constituée d'environ 100 000 activités uniques, seuls les processus qui contribuent pour plus de 1 % au résultat total d'une pression ou d'un impact environnemental par étude de cas sont sélectionnés. Cela représente au moins 48 %, mais en moyenne 79 %, du résultat total d'un indicateur (Données supplémentaires 14). La différence à 100 % est principalement due à plusieurs milliers de processus qui contribuent très peu, respectivement, dont l'analyse dépasserait le cadre et détournerait l'attention des points focaux.

(2) Pour rendre comparables des activités de pressions et d'impacts environnementaux différents, qui ont des unités différentes, une étape de normalisation est effectuée. Pour chaque pression ou impact environnemental p, les résultats d'une seule activité d'une étude de cas c, xp,c,i, sont normalisés par la médiane medp de toutes les activités de toutes les études de cas47. L'échantillon pour déterminer cette médiane comprend tous les résultats d'activité de toutes les études de cas d'une pression ou d'un impact environnemental (Eq. 1, ROR : hydroélectricité au fil de l'eau, CSP : solaire à concentration, BBY : bagasse comme sous-produit, BWA : bagasse comme déchet, CPP : centrale à charbon, phase d'exploitation et de construction non listée séparément). Les valeurs normalisées sont calculées par pression ou impact environnemental p en divisant les résultats d'activité unique par la médiane (Eq. 2).

(3) Une valeur normalisée représente le rapport du résultat d'activité à la médiane, ce qui signifie que le résultat d'activité est normp,c,i fois plus grand que la médiane. Pour l'analyse spatiale des points chauds, les valeurs normalisées sont présentées sur une échelle de 1 à 100. Les valeurs inférieures à 1 représentent des résultats d'activité inférieurs à la médiane qui ne sont donc pas des points chauds, les valeurs supérieures à 100 sont fixées à un maximum de 100 (points chauds orange foncé sur la Fig. 5) pour garder l'échelle gérable. On peut supposer qu'un résultat supérieur à cent fois la médiane est un point chaud dans tous les cas. Cette approche s'inspire de l'approche de calcul de l'indicateur de stress hydrique AWARE15, déjà largement acceptée dans la communauté ACV. Une échelle de couleurs est utilisée pour fournir une orientation et pour distinguer les points chauds de gravité différente selon leur valeur normalisée : 1–5 bleu clair, 5–10 bleu foncé, 10–30 rose, 30–50 jaune, 50–100 orange, > 100 orange foncé. L'occupation des terres et les impacts environnementaux, qui représentent les approches des points finaux de la LCIA, ne sont pas inclus dans l'analyse spatiale des points chauds. En ce qui concerne l'occupation du sol, les informations spatiales manquent pour une évaluation correcte ; dans le cas des impacts environnementaux, il faut partir du principe que, du fait de la perspective du point final, les impacts ne se produisent pas également à l'emplacement des activités associées.

(4) Les emplacements peuvent se produire plus d'une fois parce que différentes activités ont lieu au même endroit ou qu'une activité cause plus d'une pression. Par conséquent, pour chaque emplacement, tous les résultats d'activité normalisés simples sont résumés par étude de cas.

(5) Le niveau de régionalisation dépend fortement des données d'entrée et peut aller des coordonnées ponctuelles au global, ce qui équivaut à inconnu. En raison du grand volume de données impliquées dans l'analyse des chaînes d'approvisionnement internationales, les données peuvent contenir des inexactitudes dans la régionalisation. Pour résoudre ce problème et pour pouvoir voir le niveau de régionalisation en un coup d'œil, un indice de qualité est fourni pour les emplacements : Les emplacements de qualité 1 sont des coordonnées de points. Les emplacements de qualité 2 représentent le niveau du pays ou du sous-pays, tandis que les emplacements de qualité 3 sont des régions de deux pays ou plus. Les allocations spatiales pour le moins discutables, par exemple le traitement des déchets en Suisse qui fait partie de la chaîne d'approvisionnement de la sucrerie au Brésil, se voient attribuer la qualité 4, tandis que les emplacements inconnus, appelés global ou reste du monde, se voient attribuer la qualité 5. Les emplacements de qualité 1 sont ajoutés au cours de cette étude, les emplacements de qualité 2 à 5 sont extraits de la base de données ecoinvent 3.5. Les emplacements de qualité 4 et 5 sont exclus de l'analyse spatiale des points chauds. Des indices de qualité sont fournis pour tous les processus analysés dans les informations supplémentaires et sont utilisés pour identifier les groupes d'activités à faible régionalisation.

(6) Afin d'évaluer la pertinence d'activités individuelles pour la charge environnementale totale des études de cas indépendamment de la présence d'informations spatiales, elles sont regroupées dans les catégories exploitation minière, extraction de houille, sylviculture, raffinage, combustion de diesel, production de pétrole et de gaz (naturel), production d'électricité et de chaleur, production de polyéthylène, traitement des déchets, activités sur site (qui se déroulent sur le lieu des études de cas) et autres activités. Une représentation sous forme de matrice permet une évaluation rapide de la pertinence d'une catégorie pour l'étude de cas respective (Fig. 6) afin d'identifier les charges environnementales particulièrement importantes. De plus, pour chaque activité, le nombre d'indicateurs LCIA que l'activité respective influence, c'est-à-dire est responsable des impacts dans les catégories de l'indicateur, est donné par des nombres de 1 à 8. Une comparaison de la matrice avec les activités à faible régionalisation, identifiées à l'étape 5 de l'analyse des points chauds, permet d'estimer la pertinence des activités à faible régionalisation.

Une coopération étroite étant établie avec les opérateurs des études de cas, de nombreuses données sont directement fournies par les opérateurs (voir déclaration de disponibilité des données). Dans ces cas, aucune évaluation des sources de données n'est effectuée. Cela peut entraîner des divergences avec d'autres études : par exemple, Aqachmar et al. 201927 a rapporté une consommation d'eau d'environ 0,006 m3 kWh-1 pour le CSP marocain, contrairement aux 0,005 m3 kWh-1 rapportés par l'opérateur dans cette étude. De plus, Verán-Leigh & Vázquez-Rowe 201948 ont considéré une durée de vie de 50 ans pour les éléments structurels permanents et une évaporation de l'eau du réservoir de 0,003 m3 kWh−1, cependant, les études de cas examinées diffèrent de cette étude par l'emplacement et l'équipement technique, de sorte que les valeurs ne sont pas transférables. Comme l'évaporation de l'eau du réservoir de 0,03 m3 kWh-1 utilisée dans ecoinvent 3.5 pour les réservoirs non alpins allemands n'a pas pu être vérifiée, une valeur de 0,02 m3 kWh-1 a été calculée pour cette étude. La mesure de zones de retenue supplémentaires à partir d'images satellites est sujette à une grande incertitude, car les images ne représentent qu'un instantané et il n'est pas clair si les images ont été prises à un moment de niveau d'eau élevé ou bas (Fig. 1 supplémentaire). En l'absence de données plus précises, elles visent à donner une idée de l'importance possible de la consommation d'eau par évaporation. Les émissions de gaz à effet de serre biogéniques provenant de la décomposition biogénique dans les réservoirs49, qui ont été calculées pour les centrales hydroélectriques ROR avec réservoirs48, ne sont pas prises en compte dans cette étude, car la méthodologie est explicitement rapportée pour les barrages et non pour les zones de retenue supplémentaires. Toutes les autres données utilisées sont issues de publications scientifiques. Pour toutes les valeurs qui sont ajoutées aux modèles ACV au cours de cette étude, une distribution normale logarithmique est supposée pour la distribution des erreurs. Ceux-ci sont inclus dans les simulations de Monte Carlo de l'analyse d'incertitude.

Toutes les données d'inventaire sont disponibles auprès de Mendeley Data50. Les données spécifiques aux études de cas qui ont été aimablement fournies par MASEN, Jalles Machado S/A Açúcar e Álcool et Uniper Kraftwerke GmbH ne sont pas accessibles directement. Les données utilisées pour régionaliser les chaînes d'approvisionnement en minerais sont disponibles gratuitement auprès de l'USGS (https://mrdata.usgs.gov/mineral-operations/ et https://mrdata.usgs.gov/mineplant/) et peuvent être achetées auprès de Mining Intelligence (https://www.miningintelligence.com/, licence pour Mining Intelligence 2018 achetée par l'Université de Kassel). Les méthodes LCIA sont disponibles auprès de Schomberg et al. 202114 et https://www.openlca.org/, tandis que la base de données ecoinvent 3.5 est disponible auprès d'ecoinvent (licence pour ecoinvent 3.5 achetée par l'Université de Kassel).

Groupe d'experts intergouvernemental sur les changements climatiques. Changement climatique 2014 Atténuation du changement climatique. https://doi.org/10.1017/cbo9781107415416 (2014).

Eurostat. Développement durable dans l'Union européenne. Rapport de suivi sur les progrès vers les ODD dans le contexte de l'UE. https://ec.europa.eu/eurostat/web/products-statistical-books/-/KS-01-18-656 (2018).

IRP. Choix de technologies vertes : les implications pour l'environnement et les ressources des technologies à faible émission de carbone. https://www.resourcepanel.org/reports/green-technology-choices (2017).

Terrapon-Pfaff, JC, Ortiz, W., Viebahn, P., Kynast, E. & Flörke, M. Scénarios de demande en eau pour la production d'électricité aux niveaux mondial et régional. Eau 12, 2482 (2020).

Schomberg, AC, Bringezu, S. & Flörke, M. Utilisation de l'évaluation de l'impact du cycle de vie pour évaluer l'empreinte spatialement explicite de la pénurie d'eau pour l'exemple d'un stockage de batterie au lithium-ion. Terre Commune Environ. 2, 1–10 (2021).

Balaram, V. Éléments de terres rares : un examen des applications, de l'occurrence, de l'exploration, de l'analyse, du recyclage et de l'impact environnemental. Géosci. Devant. 10, 1285-1303 (2019).

Article CAS Google Scholar

Murphy, R., Woods, J., Black, M. & McManus, M. Développements mondiaux dans la concurrence pour les terres à partir de biocarburants. Politique alimentaire 36, S52–S61 (2011).

Article Google Scholar

Liu, J., Herzberger, A., Kapsar, K., Carlson, AK et Connor, T. Qu'est-ce que le télécouplage ? En télécouplage. Palgrave Studies en gestion des ressources naturelles. (eds Friis, C. & Nielsen, J.) https://doi.org/10.1007/978-3-030-11105-2_2 (Palgrave Macmillan, Cham. 2013).

Alcamo, JM, Vörösmarty, CJ, Naiman, RJ, Lettenmaier, DP & Pahl-Wostl, C. Un grand défi pour la recherche sur l'eau douce : comprendre le système hydrique mondial. Environ. Rés. Lett. 3, 010202 (2008).

Wallace, JM & Gutzler, DS Téléconnexions dans le domaine de la hauteur géopotentielle pendant l'hiver de l'hémisphère nord. Suis. Météorol. Soc. 109, 784–812 (1981).

Google Scholar

Jordaan, SM, Combs, C. & Guenther, E. Évaluation du cycle de vie de la production d'électricité : une revue systématique des méthodes spatio-temporelles. Adv. Appl. Énergie 3, 100058 (2021).

Article Google Scholar

Steinmann, ZJN, Schipper, AM, Hauck, M. & Huijbregts, MAJ Combien d'indicateurs d'impact environnemental sont nécessaires dans l'évaluation des cycles de vie des produits ? Environ. Sci. Technol. 50, 3913–3919 (2016).

Article CAS Google Scholar

Boulay, A., Lesage, P., Amor, B. & Pfister, S. Quantification de l'incertitude pour les facteurs de caractérisation AWARE. J. Ecol. Industrielle https://doi.org/10.1111/jiec.13173 (2021).

Schomberg, AC, Bringezu, S. & Flörke, M. L'évaluation du cycle de vie étendu révèle l'empreinte spatialement explicite de la rareté de l'eau d'un stockage de batterie lithium-ion. Commun. Terre Environ. https://doi.org/10.1038/s43247-020-00080-9 (2021).

Boulay, AM et al. Le modèle de caractérisation consensuel WULCA pour les empreintes de la rareté de l'eau : évaluer les impacts de la consommation d'eau sur la base de l'eau disponible restante (AWARE). Int. J. Analyse du cycle de vie. https://doi.org/10.1007/s11367-017-1333-8 (2017).

Flörke, M., Schneider, C. & McDonald, RI Concurrence pour l'eau entre les villes et l'agriculture entraînée par le changement climatique et la croissance urbaine. Nat. Soutenir. 1, 51–58 (2018).

Article Google Scholar

Zubair, M. & Awan, AB Viabilité économique de l'exportation d'énergie solaire du Moyen-Orient et de l'Afrique du Nord vers l'Europe et l'Asie du Sud. Environ. Dév. Soutenir. 23, 17986–18007 (2021).

Article Google Scholar

Ihsanullah, I., Atieh, MA, Sajid, M. & Nazal, MK Dessalement et environnement : une analyse critique des impacts, des stratégies d'atténuation et des technologies de dessalement plus vertes. Sci. Environ. 780, 146585 (2021).

Article CAS Google Scholar

Kuriqi, A., Pinheiro, AN, Sordo-Ward, A., Bejarano, MD & Garrote, L. Impacts écologiques des centrales hydroélectriques au fil de l'eau - État actuel et perspectives d'avenir au bord de la transition énergétique. Renouveler. Soutenir. Énergie Rev. 142, 110833 (2021).

Gouvernement fédéral allemand. Concept énergétique pour un approvisionnement énergétique respectueux de l'environnement, fiable et abordable. https://archiv.bundesregierung.de/resource/blob/656922/779770/794fd0c40425acd7f46afacbe62600f6/energiekonzept-final-data.pdf?download=1 (2010).

Child, M., Koskinen, O., Linnanen, L. & Breyer, C. Rambardes de durabilité pour les scénarios énergétiques de la transition énergétique mondiale. Renouveler. Soutenir. Energy Rev. https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.03.079 (2018).

Institut allemand de normalisation e. V. DIN EN ISO 14040:2006 : Gestion environnementale - Analyse du cycle de vie - Principes et cadre. https://doi.org/10.1007/s00738-009-0685-2 (2016).

Wernet, G. et al. La base de données ecoinvent version 3 (partie I) : Présentation et méthodologie. Int. J. Analyse du cycle de vie. 21, 1218-1230 (2016).

Article Google Scholar

Meldrum, J., Nettles-Anderson, S., Heath, G. et Macknick, J. Utilisation de l'eau pendant le cycle de vie pour la production d'électricité : examen et harmonisation des estimations de la littérature. Environ. Rés. Lett. 8, 015031 (2013).

Berry, WM & Stichling, W. Évaporation des lacs et des réservoirs dans la région des plaines du nord du Dakota du Nord. dans l'Assemblée générale de l'UGGI (1954).

Dones, R. et al. Inventaires du cycle de vie des systèmes énergétiques : résultats pour les systèmes actuels en Suisse et dans d'autres pays de l'UCTE. ecoinvent. https://ecoinvent.org/the-ecoinvent-database/data-releases/ecoinvent-version-2/ (2007).

Aqachmar, Z., Allouhi, A., Jamil, A., Gagouch, B. & Kousksou, T. Centrale solaire thermique à cuve parabolique Noor I au Maroc. Énergie 178, 572–584 (2019).

Article Google Scholar

Piemonte, V., De Falco, M., Tarquini, P. & Giaconia, A. Évaluation du cycle de vie d'une centrale solaire à concentration de sels fondus à haute température. Sol. Énergie 85, 1101–1108 (2011).

Article Google Scholar

Soomro, MI et al. Performance et analyse économique de la production d'énergie solaire concentrée pour le Pakistan. Processus 7, 1–25 (2019).

Google Scholar

Raboaca, MS et al. Technologies de l'énergie solaire à concentration. Énergies 12, 1–29 (2019).

Botha, T. & von Blottnitz, H. Une comparaison des avantages environnementaux de l'électricité dérivée de la bagasse et de l'éthanol carburant sur la base du cycle de vie. Politique énergétique 34, 2654–2661 (2006).

Article Google Scholar

Lopes Silva, DA, Delai, I., Delgado Montes, ML et Roberto Ometto, A. Évaluation du cycle de vie de la production d'électricité de la bagasse de canne à sucre au Brésil. Renouveler. Soutenir. Energy Rev. 32, 532–547 (2014).

Article Google Scholar

Mashoko, L., Mbohwa, C. & Thomas, VM Inventaire du cycle de vie de la cogénération d'électricité à partir de la bagasse dans l'industrie sucrière sud-africaine. J. Propre. Prod. 39, 42–49 (2013).

Article Google Scholar

Ramjeawon, T. Analyse du cycle de vie de la production d'électricité à partir de la bagasse à Maurice. J. Propre. Prod. 16, 1727-1734 (2008).

Article CAS Google Scholar

Jungbluth, N. & Chudacoff, M. Inventaires du cycle de vie de la bioénergie. ecoinvent. https://ecoinvent.org/the-ecoinvent-database/data-releases/ecoinvent-version-2/ (2007).

Zanatta, ER et al. Etudes cinétiques de la décomposition thermique de la bagasse de canne à sucre et de la bagasse de manioc. J. Therm. Anal. Calorie. 125, 437–445 (2016).

Article CAS Google Scholar

Egenolf, V. & Bringezu, S. Conceptualisation d'un système d'indicateurs pour évaluer la durabilité de la bioéconomie. Durabilité 11, 443 (2019).

Pimentel, D. et al. Production alimentaire et crise énergétique : un commentaire. Sciences 187, 560–567 (1975).

Article Google Scholar

Boustead, I. & Hancock, GF Manuel d'analyse de l'énergie industrielle. Ellis Horwood Ltd. (1979).

Hischier, R. et al. Mise en œuvre de méthodes d'évaluation de l'impact du cycle de vie. ecoinvent. https://ecoinvent.org/wp-content/uploads/2020/08/201007_hischier_weidema_implementation_of_lcia_methods.pdf (2010).

Sameer, H. et al. Évaluation environnementale du béton ultra-haute performance en utilisant l'empreinte carbone, matière et eau. Matériaux 12, 851 https://doi.org/10.3390/ma12060851 (2019).

Mostert, C. & Bringezu, S. Mesure de l'empreinte matérielle des produits comme nouvelle méthode d'évaluation de l'impact du cycle de vie : indicateurs et facteurs de caractérisation abiotiques. Ressources 8, 61 (2019).

Chaudhary, A., Verones, F., De Baan, L. & Hellweg, S. Environ. Sci. Technol. 49, 9987–9995 (2015).

Article CAS Google Scholar

Bos, U., Horn, R., Beck, T., Lindner, JP & Fischer, M. Facteurs de caractérisation LANCA® pour l'évaluation de l'impact du cycle de vie Version 2.0. (Institut Fraunhofer, 2016).

Kaiser, S., Bringezu, S. & Prontnicki, K. Évaluation environnementale et économique des sites de production mondiaux et allemands pour le méthanol et le naphta à base de CO2. Chimie Verte. https://doi.org/10.1039/d1gc01546j (2021).

Goedkoop, M. et al. ReCiPe 2008 : Une méthode d'évaluation de l'impact du cycle de vie qui comprend des indicateurs de catégorie harmonisés au niveau médian et au niveau final. (2009).

Barthel, M., Fava, J., James, K., Hardwick, A. & Khan, S. Analyse des points chauds : Un cadre méthodologique global et des conseils pour l'application au niveau des produits et des secteurs. Programme des Nations Unies pour l'environnement. https://europa.eu/capacity4dev/unep/documents/hotspots-analysis-methodological-framework-and-guidance (2017).

Verán-Leigh, D. & Vázquez-Rowe, I. Évaluation du cycle de vie des centrales hydroélectriques au fil de l'eau dans les Andes péruviennes : une perspective d'appui aux politiques. Int. J. Analyse du cycle de vie. 24, 1376–1395 (2019).

Article Google Scholar

Hertwich, EG Aborder les émissions de gaz à effet de serre biogéniques de l'hydroélectricité dans l'ACV. Environ. Sci. Technol. 47, 9604–9611 (2013).

Article CAS Google Scholar

Schomberg, AC Ensemble de données d'inventaire du cycle de vie pour l'évaluation de quatre études de cas de production d'électricité. Données de Mendeley V1. https://doi.org/10.17632/2nhjxzgf8v.1 (2020).

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Ce travail de recherche a été réalisé dans le cadre du projet "Wasserressourcen als bedeutsamer Faktor der Energiewende auf lokaler und globaler Ebene", WANDEL (02WGR1430A), réalisé avec le soutien du Ministère fédéral de l'éducation et de la recherche (BMBF) dans le cadre de son initiative de recherche "Global Resource Water (GRoW)". Nous tenons à exprimer nos sincères remerciements à MASEN (opérateur du CSP au Maroc), Jalles Machado S/A Açúcar e Álcool (opérateur de la sucrerie au Brésil), Vinícius Bof Bufon d'Embrapa et Cord Bredthauer de Uniper Kraftwerke GmbH (opérateur du CPP Heyden) pour avoir aimablement partagé des données avec nous.

Financement Open Access activé et organisé par Projekt DEAL.

Centre de recherche sur les systèmes environnementaux de l'Université de Kassel, Kassel, Allemagne

Anna C. Schomberg, Stefan Bringezu & Hannes Biederbick

Chaire d'hydrologie technique et de gestion de l'eau à l'Université de la Ruhr à Bochum, Bochum, Allemagne

Martina Floerke

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Anna Schomberg a mis en place le cadre d'évaluation des études de cas, élaboré la méthodologie, développé les modèles ACV, opérationnalisé la méthodologie, calculé et évalué les résultats, créé les figures, rédigé le texte principal et les informations supplémentaires. Stefan Bringezu a élaboré la méthodologie et révisé en profondeur le manuscrit et la méthodologie. Martina Flörke a supervisé le projet WANDEL, a mis en place le cadre pour l'évaluation des études de cas et a soutenu l'élaboration de la méthodologie. Hannes Biederbick a soutenu la régionalisation des chaînes en amont par la recherche et l'analyse de données. Tous les auteurs ont discuté des résultats et des implications et ont commenté le manuscrit à toutes les étapes.

Correspondance à Anna C. Schomberg.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Communications Earth & Environment remercie Toolseram Ramjeawon et les autres examinateurs anonymes pour leur contribution à l'examen par les pairs de ce travail. Rédacteurs en chef de la gestion principale : Clare Davis. Les rapports des pairs examinateurs sont disponibles.

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Réimpressions et autorisations

Schomberg, AC, Bringezu, S., Flörke, M. et al. Les évaluations spatialement explicites du cycle de vie révèlent les points chauds des impacts environnementaux de la production d'électricité renouvelable. Commun Terre Environ 3, 197 (2022). https://doi.org/10.1038/s43247-022-00521-7

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Reçu : 04 mars 2022

Accepté : 03 août 2022

Publié: 30 août 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s43247-022-00521-7

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