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Dynamic Modelling of Material Flows
  and Sustainable Resource Use
  Case Studies in Regional Metabolism and
        Space Life Support Systems
    Soutenance publique de thèse, le 28 septembre 2012




             Emilia Suomalainen, doctorante              28/09/2012
             IPTEH, Université de Lausanne
Plan de la présentation

• Contexte
• Objectif & Questions de recherche
• Méthode : Modélisation dynamique
• Etudes de cas : Résultats & Recommandations
  – Canton de Genève
     •   Cuivre
     •   Phosphore
     •   Bois
     •   Lithium
  – Systèmes de support vie spatiaux

• Conclusion


                     2
                                                28/09/2012
Contexte général

• Pénurie des ressources et « pics »
• Croissance de la population & amélioration du
  niveau de vie
• Deux volets de l’utilisation durable des ressources :
   1. Impacts environnementaux
   2. Epuisement des ressources




                   3
                                                   28/09/2012
Contexte institutionnel

• Canton de Genève
  – Loi sur l’action publique en vue d’un développement durable (2001)
  – Art. 12 sur les ressources naturelles : diminution de la
    consommation & limitation de la dépendance
  – Groupe de travail Ecosite

• Agence Spatiale Européenne
  – Projet ALISSE : outil d’évaluation pour les systèmes de support vie
    spatiaux
  – « Laboratoire de durabilité » => enseignements pour les systèmes
    terrestres




                     4
                                                                28/09/2012
Objectifs

• Objectif: analyser la durabilité de l’utilisation des
  ressources avec des méthodes de modélisation
  quantitative
• Intérêt : fournir des informations pour la prise de
  décision afin de se préparer aux nouvelles
  contraintes sur les ressources




                  5
                                                     28/09/2012
Questions de recherche

• Canton de Genève
  – Quelle sera l’évolution de l’utilisation des ressources dans le
    canton ?
  – A quelles conditions peut-elle être qualifiée de durable ?
  – Quelles stratégies permettraient de rendre la situation plus
    durable ?

• Systèmes de support vie spatiaux
  – Comment évaluer la durabilité de ces systèmes ? Quels types
    d’indicateurs pourrait-on utiliser ?
  – Comment comparer les différents systèmes ?




                      6
                                                                      28/09/2012
Méthode : Analyse de flux
         de matériaux dynamique
• Modèle mathématique basé sur les stocks et flux
  physiques
• Les impacts environnementaux & les aspects
  économiques ne sont pas pris en compte
• Comportement du modèle :
  – Hypothèse de base : consommation totale = consommation par
    habitant (constante) * population (fonction de temps)
  – Paramètres : temps de séjour dans les secteurs économiques,
    taux de recyclage, etc.




                   7
                                                          28/09/2012
Les résultats du modèle =
               Une prédiction ?
• Pas une prédiction mais une illustration des
  évolutions potentielles
  – Cf. le modèle « Limits to Growth » (World2)

• Une prédiction implique des notions de probabilité
• Le modèle n’est pas directement prescriptif
  – Interprétation des résultats
  – Prise en compte des limitations du modèle

=> Le modèle permet d’étudier les conséquences de la
variation des paramètres



                     8
                                                  28/09/2012
Canton de Genève : Etudes de cas

• 3 études de cas avec de la modélisation :
   – Cuivre (métal)
   – Phosphore (nutriment agricole)
   – Bois (ressource renouvelable)

• 1 étude de cas plus qualitative :
   – Lithium (métal critique) dans une perspective de
     mobilité électrique




                     9
                                                        28/09/2012
Canton de Genève : Etudes de cas (2)

• Scénarios « Business as Usual » + scénarios
  alternatifs
• Période de simulation : 2000/2006–2080
• Ressources incluent les importations & la production
  cantonale (matériaux bruts & produits)
• Outil de simulation : Scilab




                 10
                                                  28/09/2012
Cuivre : Introduction
• Le troisième métal le plus utilisé dans le monde
• Usages : construction, télécommunications,
  transports, appareils électriques et électroniques, ...
• La consommation
  mondiale augmente
  de manière
  exponentielle
  (4 % par an)




                 11
                                                    28/09/2012
Cuivre : Résultats




                     Flux:
                     importations
                     exportations
                     décharges
                     recyclage




 12
                               28/09/2012
Cuivre : Recommandations

• Développement des substituts
  ‒ Mais: les impacts environnementaux (p.ex. aluminium)

• Augmentation du taux de recyclage
  ‒   Difficile (et coûteux) si le taux actuel est déjà 80 % ?
  ‒   Peu d’impact sur les importations
  ‒   Cuivre recyclé à l’extérieur du canton => ne permet pas
      d’augmenter l’autarcie dans le canton ?

 Diminution de la consommation
  ‒ Diminue la dépendance en termes quantitatifs mais ne la supprime
    pas




                      13
                                                                 28/09/2012
Phosphore : Introduction
• Indispensable dans
  l’agriculture
  => essentiel pour la
  sécurité alimentaire

• La source principale de
  phosphore : le minerai
  de phosphate

• Principaux producteurs :
  Chine, Etats-Unis, Maroc   • Le pic de phosphate en
  (Sahara occidentale),        2030 ? (Cordell et al. 2009)
  Russie

                  14
                                                     28/09/2012
Phosphore : Résultats




                  Flux:
                  importations
                  exportations
                  décharges
                  recyclage
                  exportations (recyclage)
                  eaux




  15
                                   28/09/2012
Phosphore : Recommandations

• But : plus de recyclage, moins de dissipation
  – Taux de recyclage des déchets en P est de seulement 16 %
  – Augmentation annuelle du stock dans les décharges = 80 % des
    importations nettes
• Boues d’épuration : problème des métaux lourds
• Recyclage de l’urine : prometteur pour fermer la
  boucle
  – Les impacts sur la santé, acceptabilité ?
• Recommandation : étudier le recyclage de l’urine
  (et l’utilisation des boues d’épuration)
• Nouvelles solutions technologiques ?
  ‒ P.ex. capture du phosphore dans l’eau

                     16
                                                             28/09/2012
Bois : Introduction

• Les forêts représentent 10 % de la surface du canton
• Le bois produit dans le canton est de qualité
  médiocre
  – 90 % est utilisé comme bois-énergie

• Usages principaux du bois : bois-énergie, bâtiment &
  construction, emballages, meubles (papier et
  carton exclus)




                    17
                                                  28/09/2012
Bois : Résultats




Flux:          bois énergie
importations   incinération
forêts         exportations (recyclage)

        18
                                          28/09/2012
Bois : Recommandations
• Le canton produit seulement 5 % du bois consommé
  => Dépendance sur les importations
• Développement de la ressource dans le canton difficile
 Recommandation : développement des importations du
  bois local de l’agglomération franco-valdo-genevoise
• Pas de données sur les importations du bois => calculées
  à partir de la quantité de déchets
  ‒ Recommandation : rassembler plus d’information sur les stocks
    et flux de bois




                    19
                                                             28/09/2012
Lithium : Introduction

• Lithium dans le contexte de la mobilité électrique
  – Voitures à essence et diesel remplacées par des voitures
    électriques
  – Lithium utilisé dans les batteries des voitures électriques

• Sources de lithium
  – Importations : problèmes géopolitiques ?
  – L’eau de mer : très énergivore à exploiter
  – Recyclage : presque inexistant




                     20
                                                                  28/09/2012
Lithium : Résultats

• Environ 250’000 véhicules dans le canton =>
  remplacement avec des voitures électriques
  nécessiterait 980 t de lithium
• Environ 5’000’000 véhicules en Suisse => 21 kt de
  lithium (75 % de la production mondiale en 2010)




                21
                                                28/09/2012
Lithium : Recommandations

• Transition vers mobilité électrique augmenterai la
  demande de lithium de façon spectaculaire
• Recommandation : introduire des mesures de
  recyclage afin de conserver des ressources faciles à
  exploiter
   – Niveau fédéral/européen

• Diversification de solutions pour le stockage
  d’énergie ?
• Mobilité électrique dans un contexte plus large de
  mobilité durable


                    22
                                                  28/09/2012
Systèmes de support vie spatiaux
• Systèmes fournissant de
  l’oxygène, de l’eau et de la
  nourriture pendant une
  mission spatiale
• 2 systèmes de régénération
  d’oxygène :
   – ARES (système chimique)
   – BIORAT (système biologique)




                   23
                                   28/09/2012
Systèmes de support vie spatiaux (2)

• But : comparer ARES et BIORAT en termes
  d’utilisation des ressources
1. Définition des indicateurs de durabilité
  – Masse du système, consommation d’énergie, efficacité de
    l’utilisation de ressources, taux de recyclage, …

2. Construction d’un modèle de simulation
  – Modèle statique
  – Outil de simulation : Excel




                     24
                                                              28/09/2012
ARES & BIORAT : Comparaison
• BIORAT recycle O2 plus efficacement
• Mais : pour la même
  quantité d’O2,
  la consommation
  d’énergie de
  BIORAT =
  10 x ARES




                 25
                                        28/09/2012
Systèmes de support vie spatiaux :
           Enseignements
• Des systèmes exemplaires en termes d’optimisation
  de l’utilisation des ressources
  – Fonctionnement quasi-circulaire

=> Modèles pour les systèmes terrestres
• Différents types de contraintes que sur Terre
  – Stock de ressources fixe
  – Facteur limitant : la masse
  – Pas de problèmes économiques, sociaux, etc.




                    26
                                                  28/09/2012
Conclusion

• Utilisation des ressources était étudiée avec des
  outils de modélisation quantitative
   – Premier modèle dynamique pour le métabolisme de ces
     ressources à Genève
   – Première tentative d’évaluer et de comparer des systèmes de
     support vie spatiaux en termes de durabilité

• Avantages de la méthode utilisée :
   – Résultats quantitatifs
   – Possibilité de comparer des scénarios, analyser la continuation des
     tendances actuelles
   – Informations sur les phénomènes à long terme, accumulations,
     feedbacks, etc.



                      27
                                                                  28/09/2012
Conclusion (2)

• Les résultats ne sont ni prédictifs ni prescriptifs
   – Pas de notion de probabilité
   – Prise en compte des limitations du modèle

=> Information sur les impacts de la variation
des paramètres
• Directions futures :
   –   Etudier plus de ressources ?
   –   Améliorer le modèle ?
   –   Obtenir des données de départ plus précises (MFA statiques)?
   –   Inclure des aspects économiques / impacts environnementaux ?




                      28
                                                                28/09/2012
Je vous remercie de votre attention !


                     Emilia Suomalainen
                     Doctorante IPTEH, UNIL
                     emilia.suomalainen@unil.ch




           29
                                             28/09/2012

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Présentation - Modélisation dynamique des flux de ressources

  • 1. Dynamic Modelling of Material Flows and Sustainable Resource Use Case Studies in Regional Metabolism and Space Life Support Systems Soutenance publique de thèse, le 28 septembre 2012 Emilia Suomalainen, doctorante 28/09/2012 IPTEH, Université de Lausanne
  • 2. Plan de la présentation • Contexte • Objectif & Questions de recherche • Méthode : Modélisation dynamique • Etudes de cas : Résultats & Recommandations – Canton de Genève • Cuivre • Phosphore • Bois • Lithium – Systèmes de support vie spatiaux • Conclusion 2 28/09/2012
  • 3. Contexte général • Pénurie des ressources et « pics » • Croissance de la population & amélioration du niveau de vie • Deux volets de l’utilisation durable des ressources : 1. Impacts environnementaux 2. Epuisement des ressources 3 28/09/2012
  • 4. Contexte institutionnel • Canton de Genève – Loi sur l’action publique en vue d’un développement durable (2001) – Art. 12 sur les ressources naturelles : diminution de la consommation & limitation de la dépendance – Groupe de travail Ecosite • Agence Spatiale Européenne – Projet ALISSE : outil d’évaluation pour les systèmes de support vie spatiaux – « Laboratoire de durabilité » => enseignements pour les systèmes terrestres 4 28/09/2012
  • 5. Objectifs • Objectif: analyser la durabilité de l’utilisation des ressources avec des méthodes de modélisation quantitative • Intérêt : fournir des informations pour la prise de décision afin de se préparer aux nouvelles contraintes sur les ressources 5 28/09/2012
  • 6. Questions de recherche • Canton de Genève – Quelle sera l’évolution de l’utilisation des ressources dans le canton ? – A quelles conditions peut-elle être qualifiée de durable ? – Quelles stratégies permettraient de rendre la situation plus durable ? • Systèmes de support vie spatiaux – Comment évaluer la durabilité de ces systèmes ? Quels types d’indicateurs pourrait-on utiliser ? – Comment comparer les différents systèmes ? 6 28/09/2012
  • 7. Méthode : Analyse de flux de matériaux dynamique • Modèle mathématique basé sur les stocks et flux physiques • Les impacts environnementaux & les aspects économiques ne sont pas pris en compte • Comportement du modèle : – Hypothèse de base : consommation totale = consommation par habitant (constante) * population (fonction de temps) – Paramètres : temps de séjour dans les secteurs économiques, taux de recyclage, etc. 7 28/09/2012
  • 8. Les résultats du modèle = Une prédiction ? • Pas une prédiction mais une illustration des évolutions potentielles – Cf. le modèle « Limits to Growth » (World2) • Une prédiction implique des notions de probabilité • Le modèle n’est pas directement prescriptif – Interprétation des résultats – Prise en compte des limitations du modèle => Le modèle permet d’étudier les conséquences de la variation des paramètres 8 28/09/2012
  • 9. Canton de Genève : Etudes de cas • 3 études de cas avec de la modélisation : – Cuivre (métal) – Phosphore (nutriment agricole) – Bois (ressource renouvelable) • 1 étude de cas plus qualitative : – Lithium (métal critique) dans une perspective de mobilité électrique 9 28/09/2012
  • 10. Canton de Genève : Etudes de cas (2) • Scénarios « Business as Usual » + scénarios alternatifs • Période de simulation : 2000/2006–2080 • Ressources incluent les importations & la production cantonale (matériaux bruts & produits) • Outil de simulation : Scilab 10 28/09/2012
  • 11. Cuivre : Introduction • Le troisième métal le plus utilisé dans le monde • Usages : construction, télécommunications, transports, appareils électriques et électroniques, ... • La consommation mondiale augmente de manière exponentielle (4 % par an) 11 28/09/2012
  • 12. Cuivre : Résultats Flux: importations exportations décharges recyclage 12 28/09/2012
  • 13. Cuivre : Recommandations • Développement des substituts ‒ Mais: les impacts environnementaux (p.ex. aluminium) • Augmentation du taux de recyclage ‒ Difficile (et coûteux) si le taux actuel est déjà 80 % ? ‒ Peu d’impact sur les importations ‒ Cuivre recyclé à l’extérieur du canton => ne permet pas d’augmenter l’autarcie dans le canton ?  Diminution de la consommation ‒ Diminue la dépendance en termes quantitatifs mais ne la supprime pas 13 28/09/2012
  • 14. Phosphore : Introduction • Indispensable dans l’agriculture => essentiel pour la sécurité alimentaire • La source principale de phosphore : le minerai de phosphate • Principaux producteurs : Chine, Etats-Unis, Maroc • Le pic de phosphate en (Sahara occidentale), 2030 ? (Cordell et al. 2009) Russie 14 28/09/2012
  • 15. Phosphore : Résultats Flux: importations exportations décharges recyclage exportations (recyclage) eaux 15 28/09/2012
  • 16. Phosphore : Recommandations • But : plus de recyclage, moins de dissipation – Taux de recyclage des déchets en P est de seulement 16 % – Augmentation annuelle du stock dans les décharges = 80 % des importations nettes • Boues d’épuration : problème des métaux lourds • Recyclage de l’urine : prometteur pour fermer la boucle – Les impacts sur la santé, acceptabilité ? • Recommandation : étudier le recyclage de l’urine (et l’utilisation des boues d’épuration) • Nouvelles solutions technologiques ? ‒ P.ex. capture du phosphore dans l’eau 16 28/09/2012
  • 17. Bois : Introduction • Les forêts représentent 10 % de la surface du canton • Le bois produit dans le canton est de qualité médiocre – 90 % est utilisé comme bois-énergie • Usages principaux du bois : bois-énergie, bâtiment & construction, emballages, meubles (papier et carton exclus) 17 28/09/2012
  • 18. Bois : Résultats Flux: bois énergie importations incinération forêts exportations (recyclage) 18 28/09/2012
  • 19. Bois : Recommandations • Le canton produit seulement 5 % du bois consommé => Dépendance sur les importations • Développement de la ressource dans le canton difficile  Recommandation : développement des importations du bois local de l’agglomération franco-valdo-genevoise • Pas de données sur les importations du bois => calculées à partir de la quantité de déchets ‒ Recommandation : rassembler plus d’information sur les stocks et flux de bois 19 28/09/2012
  • 20. Lithium : Introduction • Lithium dans le contexte de la mobilité électrique – Voitures à essence et diesel remplacées par des voitures électriques – Lithium utilisé dans les batteries des voitures électriques • Sources de lithium – Importations : problèmes géopolitiques ? – L’eau de mer : très énergivore à exploiter – Recyclage : presque inexistant 20 28/09/2012
  • 21. Lithium : Résultats • Environ 250’000 véhicules dans le canton => remplacement avec des voitures électriques nécessiterait 980 t de lithium • Environ 5’000’000 véhicules en Suisse => 21 kt de lithium (75 % de la production mondiale en 2010) 21 28/09/2012
  • 22. Lithium : Recommandations • Transition vers mobilité électrique augmenterai la demande de lithium de façon spectaculaire • Recommandation : introduire des mesures de recyclage afin de conserver des ressources faciles à exploiter – Niveau fédéral/européen • Diversification de solutions pour le stockage d’énergie ? • Mobilité électrique dans un contexte plus large de mobilité durable 22 28/09/2012
  • 23. Systèmes de support vie spatiaux • Systèmes fournissant de l’oxygène, de l’eau et de la nourriture pendant une mission spatiale • 2 systèmes de régénération d’oxygène : – ARES (système chimique) – BIORAT (système biologique) 23 28/09/2012
  • 24. Systèmes de support vie spatiaux (2) • But : comparer ARES et BIORAT en termes d’utilisation des ressources 1. Définition des indicateurs de durabilité – Masse du système, consommation d’énergie, efficacité de l’utilisation de ressources, taux de recyclage, … 2. Construction d’un modèle de simulation – Modèle statique – Outil de simulation : Excel 24 28/09/2012
  • 25. ARES & BIORAT : Comparaison • BIORAT recycle O2 plus efficacement • Mais : pour la même quantité d’O2, la consommation d’énergie de BIORAT = 10 x ARES 25 28/09/2012
  • 26. Systèmes de support vie spatiaux : Enseignements • Des systèmes exemplaires en termes d’optimisation de l’utilisation des ressources – Fonctionnement quasi-circulaire => Modèles pour les systèmes terrestres • Différents types de contraintes que sur Terre – Stock de ressources fixe – Facteur limitant : la masse – Pas de problèmes économiques, sociaux, etc. 26 28/09/2012
  • 27. Conclusion • Utilisation des ressources était étudiée avec des outils de modélisation quantitative – Premier modèle dynamique pour le métabolisme de ces ressources à Genève – Première tentative d’évaluer et de comparer des systèmes de support vie spatiaux en termes de durabilité • Avantages de la méthode utilisée : – Résultats quantitatifs – Possibilité de comparer des scénarios, analyser la continuation des tendances actuelles – Informations sur les phénomènes à long terme, accumulations, feedbacks, etc. 27 28/09/2012
  • 28. Conclusion (2) • Les résultats ne sont ni prédictifs ni prescriptifs – Pas de notion de probabilité – Prise en compte des limitations du modèle => Information sur les impacts de la variation des paramètres • Directions futures : – Etudier plus de ressources ? – Améliorer le modèle ? – Obtenir des données de départ plus précises (MFA statiques)? – Inclure des aspects économiques / impacts environnementaux ? 28 28/09/2012
  • 29. Je vous remercie de votre attention ! Emilia Suomalainen Doctorante IPTEH, UNIL emilia.suomalainen@unil.ch 29 28/09/2012