Analyse des flux de matières - Material flow analysis

L' analyse des flux de matière ( MFA ), également appelée analyse de flux de substance ( SFA ), est une méthode d' analyse afin de quantifier les flux et les stocks de matières ou substances dans un puits défini système . La MFA est un outil important pour étudier les aspects biophysiques de l'activité humaine à différentes échelles spatiales et temporelles. Il est considéré comme une méthode fondamentale de l'écologie industrielle ou du métabolisme anthropique , urbain , social et industriel . La MFA est utilisée pour étudier les flux de matières, de substances ou de produits dans différents secteurs industriels ou au sein d' écosystèmes . La MFA peut également être appliquée à une seule installation industrielle, par exemple pour suivre les flux de nutriments à travers une usine de traitement des eaux usées . Lorsqu'elle est combinée à une évaluation des coûts associés aux flux de matières, cette application orientée métier de la MFA est appelée comptabilité analytique des flux de matières . La MFA est un outil important pour étudier l' économie circulaire et concevoir la gestion des flux de matières . Depuis les années 1990, le nombre de publications liées à l'analyse des flux de matières a augmenté régulièrement. Les revues à comité de lecture qui publient des travaux liés à l'AMF comprennent le Journal of Industrial Ecology , Ecological Economics , Environmental Science and Technology , et Resources, Conservation, and Recycling .

Méthodologie

Motivation

Les besoins humains tels que l'abri, la nourriture, le transport ou la communication nécessitent des matériaux comme le bois, l'amidon, le sucre, le fer et l'acier, le cuivre ou les semi-conducteurs. À mesure que la société se développe et que l'activité économique se développe , la production, l'utilisation et l'élimination des matériaux augmentent à un niveau où les impacts indésirables sur l'environnement et la société ne peuvent plus être négligés , ni localement ni globalement. Les flux de matières sont au cœur des problèmes environnementaux locaux tels que le lessivage des décharges ou les déversements d'hydrocarbures . Les préoccupations croissantes concernant le réchauffement climatique placent un flux de déchets auparavant sans importance, le dioxyde de carbone , en tête de l'agenda politique et scientifique. Le passage progressif de la production de matières premières à l'exploitation minière urbaine dans les pays développés nécessite une évaluation détaillée des stocks de matières en service et obsolètes au sein de la société humaine. Les scientifiques, les industries, les organismes gouvernementaux et les ONG ont donc besoin d'un outil qui complète la comptabilité et la modélisation économiques. Ils ont besoin d'une méthode systématique pour suivre et afficher les stocks et les flux de matériaux entrant, restant à l'intérieur et sortant des différents processus de l' anthroposphère . L'analyse des flux de matières est une telle méthode.

Principes de base

L'AMF repose sur deux principes scientifiques fondamentaux et bien établis, l' approche systémique et le bilan de masse . La définition du système est le point de départ de chaque étude MFA.

Définition du système

Système MFA de base sans quantification.
Un système MFA plus général sans quantification.

Un système MFA est un modèle d'une installation industrielle, d'un secteur industriel ou d'une région concernée. Le niveau de détail du modèle de système est choisi en fonction de l'objectif de l'étude. Un système MFA comprend toujours la limite du système, un ou plusieurs processus , des flux de matériaux entre les processus et des stocks de matériaux au sein des processus. L'échange physique entre le système et son environnement se produit via des flux qui traversent la frontière du système. Contrairement à l'idée préconçue selon laquelle un système représente une installation industrielle spécifique, les systèmes et les processus de la MFA peuvent représenter des entités beaucoup plus grandes et plus abstraites tant qu'ils sont bien définis. La définition explicite du système aide le praticien à localiser les informations quantitatives disponibles dans le système, soit sous forme de stocks dans certains processus, soit sous forme de flux entre processus. Une description de système MFA peut être affinée en désagrégeant les processus ou simplifiée en agrégeant les processus.

En plus de spécifier la disposition des processus, des stocks et des flux dans la définition du système, le praticien doit également indiquer l'échelle et l'élément indicateur ou le matériau du système étudié. L'échelle spatiale décrit l'entité géographique couverte par le système. Un système représentant un certain secteur industriel peut être appliqué aux États-Unis, à la Chine, à certaines régions du monde ou au monde dans son ensemble. L'échelle temporelle décrit le moment ou l'intervalle de temps pour lequel le système est quantifié. L'élément indicateur ou le matériau du système est l'entité physique qui est mesurée et pour laquelle le bilan de masse se maintient. Comme son nom l'indique, un élément indicateur est un certain élément chimique tel que le cadmium ou une substance telle que le CO 2 . En général, un article ou un produit peut également être utilisé comme indicateur tant qu'un bilan de processus peut être établi pour celui-ci. Des exemples d'indicateurs plus généraux sont des biens tels que les voitures particulières, des matériaux comme l'acier ou d'autres quantités physiques telles que l' énergie .

L'AMF exige des praticiens qu'ils utilisent précisément les termes «matériel», «substance» ou «bon», comme indiqué, par exemple, au chapitre 2.1 de Brunner et Rechberger, l'une des principales références de la méthode AMF.

  • Un élément chimique est "une substance chimique pure constituée d'un type d'atome distingué par son numéro atomique".
  • Une substance est «tout élément (chimique) ou composé composé d'unités uniformes. Toutes les substances sont caractérisées par une constitution unique et identique et sont donc homogènes». Extrait du chapitre 2.1.1 de Brunner & Rechberger.
  • Un bien est défini comme "une entité économique de matière ayant une valeur économique positive ou négative. Les biens sont constitués d'une ou plusieurs substances". Extrait du chapitre 2.1.2 de Brunner et Rechberger.
  • Le terme matière dans l'AMF "sert de terme générique pour les substances et les marchandises". Extrait du chapitre 2.1.3 de Brunner & Rechberger.
Un système MFA typique avec quantification.

Balance de processus

L'un des principaux objectifs de l'AMF est de quantifier le métabolisme des éléments du système. Contrairement à la comptabilité économique, l'AMF couvre également les flux de déchets non économiques, les émissions dans l'environnement et les ressources naturelles non marchandes.

Modèle d'un processus industriel en comptabilité économique (en haut) et en comptabilité physique (en bas).

L'équilibre des processus est un principe physique de premier ordre qui transforme la MFA en un puissant outil de comptabilité et d'analyse. La nature des processus dans le système détermine les soldes applicables. Pour un procédé « raffinerie de pétrole », par exemple, on peut établir un bilan massique pour chaque élément chimique, alors que ce n'est pas possible pour une centrale nucléaire. Une usine automobile respecte l'équilibre pour l'acier, mais une aciérie ne le fait pas.

Lors de la quantification des systèmes MFA, soit par des mesures, soit à partir de données statistiques, les bilans de masse et d'autres processus doivent être vérifiés pour garantir l'exactitude de la quantification et pour révéler d'éventuelles incohérences de données ou même des idées fausses dans le système telles que l'omission d'un flux ou d'un processus . Les informations contradictoires peuvent être réconciliées à l'aide de la validation et de la réconciliation des données , et le logiciel STAN offre une fonctionnalité de réconciliation de base qui convient à de nombreuses applications MFA.

Exemples d'applications MFA à différentes échelles spatiales et temporelles

Les études AMF sont menées à diverses échelles spatiales et temporelles et pour une variété d'éléments, de substances et de biens. Ils couvrent un large éventail de chaînes de processus et de cycles de matériaux. Plusieurs exemples:

  • AMF à l'échelle nationale ou régionale (également appelée comptabilité des flux de matières ): Dans ce type d'étude, les échanges de matières entre une économie et le milieu naturel sont analysés. Plusieurs indicateurs sont calculés afin d'évaluer le niveau d' intensité des ressources du système.
  • L'analyse des flux de matières d'entreprise , ou MFA le long d'une chaîne d'approvisionnement industrielle, implique un certain nombre d'entreprises: le but de l'analyse des flux de matières au sein d'une entreprise est de quantifier puis d'optimiser les processus de production afin que les matériaux et l'énergie soient utilisés plus efficacement, par exemple en recyclage et réduction des déchets . Les entreprises peuvent utiliser les résultats obtenus par la comptabilité analytique des flux de matières pour réduire leurs coûts opérationnels et améliorer leurs performances environnementales.
  • Dans le cycle de vie d'un produit : l'inventaire du cycle de vie, dont la compilation est au cœur de l'analyse du cycle de vie , suit la méthodologie MFA car il est basé sur une définition explicite du système et des équilibres de processus.

Développement historique

  • Le bilan de masse ou la conservation de la matière a déjà été postulé dans la Grèce antique, et il a été introduit dans la chimie moderne par Antoine Lavoisier (cf. chapitre 2.1.3 dans Brunner & Rechberger,), d'où il a trouvé son chemin vers le génie chimique et enfin vers l'environnement. science.
  • D'autres contributions importantes ont été faites par Sanctorius et Theodor Weyl .
  • Dennis Meadows a sensibilisé un large public aux fondements physiques de l'économie lorsqu'il a co-écrit le best-seller Limits to Growth en 1971. Meadows et al. basé leurs prévisions sur une analyse des stocks de ressources; voir dans le glossaire des sciences de l'environnement .
  • La méthodologie de l'AMF a été développée au cours des années 80 et 90. Le développement s'est produit simultanément dans différents groupes de recherche. Les principales publications sur la méthodologie MFA comprennent Baccini et Bader (1996), Brunner et Rechberger (2004), Baccini et Brunner (2012) et van der Voet et al. (2002).
  • Friedrich Schmidt-Bleek, qui a travaillé à l'Institut de Wuppertal, a développé le concept lié à l'AMF de matériel par unité de service (MIPS).
  • Le Panel de ressources du PNUE a été créé en 2007 par le Programme des Nations Unies pour l'environnement. Par analogie avec le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat ( GIEC ), il rassemble des experts de nombreuses disciplines et institutions pour passer en revue l'état actuel de la recherche sur le métabolisme sociétal et pour communiquer les dernières conclusions aux décideurs et aux parties prenantes.

Développement récent

  • Les concepts d'AMF ont été ou sont en cours d'incorporation dans les comptes nationaux de plusieurs pays et régions comme l'UE et le Japon. La MFA est également utilisée dans le système de comptabilité environnementale et économique intégrée .
  • Plusieurs conférences internationales ou autres réunions offrent une plate-forme aux chercheurs et aux décideurs pour se rencontrer et échanger des résultats et des idées, notamment le World Resources Forum , une conférence internationale biannuelle sur l'analyse des flux de matières et le développement durable.
  • MFA-IO est une approche pour établir un système AMF de l'ensemble de l'économie à l'aide de tableaux d'entrées-sorties monétaires et physiques.
  • L'Institut de recherche pour une Europe durable (SERI) à Vienne, en Autriche, a développé une base de données appelée materialflows.net.
  • L'AMF dynamique vise la quantification à long terme des systèmes d'AMF et utilise des modèles de développement historiques des stocks et des flux physiques pour créer des scénarios robustes pour les années et les décennies à venir.
  • Le Japon est devenu un haut lieu de la recherche AMF. Le pays dispose de ressources minérales rares et dépend donc des importations de vecteurs énergétiques, de minerais et d'autres matières premières. Le gouvernement japonais encourage la recherche sur les cycles des matériaux et a également inauguré le concept 3-R.

Réalisation d'une AMF de pointe

Un MFA à la pointe de la technologie comprend les étapes suivantes:

  • Établissez une définition de système explicite: spécifiez la limite du système avec une portée géographique et temporelle, des processus (peut contenir des stocks) et des flux. Spécifiez l'article pour lequel le système doit être quantifié (produit, substance ou élément indicateur). Assurez-vous que chaque stock est associé à un processus et que chaque flux connecte un processus à un autre. Les flux peuvent également commencer ou se terminer en dehors des limites du système.
  • Définissez et nommez les variables système. Les variables système comprennent: Tous les stocks au sein des processus, tous les flux entre les processus et tous les flux provenant de l'extérieur ou allant à l'extérieur des limites du système. Parfois, les stocks ne sont pas pris en compte et seules les variations nettes des stocks sont intéressantes. Pour chaque variable, il doit être clair s'il s'agit d'un stock ou d'un flux, et cette distinction doit se refléter dans les noms et dans les symboles mathématiques choisis.
  • Quantifiez les variables système en les reliant à la littérature, aux mesures ou aux données modélisées.
  • Effectuer un contrôle du bilan de masse pour tous les processus et le système dans son ensemble.
  • Facultatif: visualisez votre système en utilisant le schéma encadré et flèche illustré ci-dessus ou en utilisant les diagrammes de Sankey .
  • Documentez l'AMF en rapportant la définition explicite du système avec la liste des variables système quantifiées et les vérifications du bilan massique.

La différence entre l'analyse des flux de matières et de substances

Alors que le terme «substance» dans «l'analyse des flux de substances (SFA)» fait toujours référence à des substances chimiques, le terme «matière» dans «l'analyse des flux de matières (AMF)» a une portée beaucoup plus large. Selon Brunner et Rechberger, le terme `` matériau '' comprend les substances ET les marchandises, et la raison de ce large champ d'application est le souhait d'appliquer l'AMF non seulement aux éléments ou substances chimiques, mais aussi à des matériaux comme l'acier, le bois ou des produits comme les voitures ou les bâtiments. . Il est ainsi possible de réaliser une AMF du parc de véhicules particuliers en enregistrant les véhicules entrant et sortant de la phase d'utilisation.

Relation avec d'autres méthodes

La MFA est complémentaire des autres modèles fondamentaux d' analyse du cycle de vie (ACV) et d' entrées-sorties (E / S) des méthodes d' écologie industrielle . Il existe des chevauchements entre les différentes méthodes, car elles partagent toutes l'approche système et dans une certaine mesure le principe du bilan massique. Les méthodes diffèrent principalement par leur objectif, leur portée et leurs exigences en matière de données.

Les études AMF couvrent souvent l'ensemble du cycle (extraction, production, fabrication, utilisation, traitement des déchets) d'une certaine substance dans une limite géographique et une période de temps données. Les stocks de matériaux sont explicites dans l'AMF, ce qui rend cette méthode appropriée pour les études impliquant la rareté des ressources et le recyclage des vieilles ferrailles. L'utilisation courante de séries chronologiques (modélisation dynamique) et de modèles de durée de vie fait de l'AMF un outil approprié pour évaluer les tendances à long terme de l'utilisation des matériaux.

  • Par rapport aux analyses d'E / S, le nombre de processus pris en compte dans les systèmes MFA est généralement beaucoup plus faible. D'autre part, le bilan massique garantit que les flux de sous-produits ou de déchets ne sont pas négligés dans les études AMF, alors que dans les tableaux d'E / S, ces flux ne sont souvent pas inclus en raison de leur manque de valeur économique. Les modèles d'E / S physiques sont beaucoup moins courants que les tableaux économiques. Les stocks de matières ne sont pas couverts par l'analyse IO, seul l'ajout de stock peut être inclus sous forme d'accumulation de capital.
  • Les inventaires du cycle de vie enregistrent la demande de nombreux matériaux différents associés à des produits individuels, tandis que les études AMF se concentrent généralement sur un seul matériau utilisé dans de nombreux produits différents.

Voir également

Références

Lectures complémentaires

  • Baccini, P .; Bader, H.-P. (1996). Regionaler Stoffhaushalt . Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg (Allemagne). ISBN   978-3-86025-235-2 .

Liens externes