La notion de contenu énergétique permet d'évaluer la quantité d'énergie utilisée pour fabriquer un produit. Les contenus énergétiques des canalisations pour l'adduction d'eau potable en fonte ductile, PVC, PE ont été déterminés, puis comparés. Dans les canalisations de petit diamètre, les écarts entre les divers matériaux sont faibles. Lorsque le diamètre augmente, les tuyaux en fonte ductile sont de plus en plus économes en énergie par rapport aux plastiques. Le recyclage des matériaux permet d'abaisser les consommations globales d'énergie. Cependant, le recyclage ne modifie pas les tendances observées sur les matériaux vierges. La fonte ductile est très bien placée. Les canalisations en PE et PVC ont des contenus énergétiques quasiment identiques lorsqu'on prend en compte le recyclage.
L’environnement est un sujet d’importance croissante. Le public est de plus en plus attentif à ce thème. Les industriels accroissent leurs investissements afin d’améliorer leurs outils de production. De nouvelles réglementations, de plus en plus exigeantes, sont édictées par les gouvernements. La Conférence de Rio a été un moment fort dans ce processus général de prise de conscience : progressivement, différentes caractéristiques des produits comme les aspects peu polluants et économes en énergie, ainsi que l’aptitude au recyclage, deviennent des éléments déterminants du choix. Ils sont pris en compte au même titre que les caractéristiques plus classiques des produits telles que les performances techniques, les coûts, la sécurité, …
Parmi toutes ces caractéristiques, la consommation d’énergie est particulièrement importante. De façon générale toute utilisation d’énergie génère des pollutions tout au long du cycle. Des produits économes en énergie engendreront donc moins de pollutions. À long terme, des incertitudes existent sur la disponibilité des énergies fossiles, notamment le pétrole et le gaz naturel. Le poste « énergie » est particulièrement important dans les coûts de fabrication, notamment pour les industries de matériaux. Ces différents éléments ont conduit à une amélioration remarquable de la performance énergétique des systèmes de production modernes [1]. Afin de pouvoir comparer différents produits, on utilise le concept de contenu énergétique, lequel totalise les quantités d’énergie mobilisées durant le cycle de fabrication pour produire un objet ayant une fonction déterminée.
En France, de nombreux types de matériaux sont utilisés pour l’adduction et la distribution d’eau. Toutefois, les principaux sont la fonte ductile et les matières plastiques (essentiellement le polychlorure de vinyle et le polyéthylène haute densité). L’introduction dans les années 50, puis la généralisation au début des années 60 de la fonte ductile, ainsi que l’amélioration des procédés sidérurgiques ont permis de réduire d’environ un facteur trois les besoins en énergie pour produire des tuyaux plus performants. La fonte ductile combine, en effet, d’excellentes propriétés mécaniques à une bonne aptitude à la mise en forme par moulage (encadré 1). En ce qui concerne les matières plastiques, la diminution des coefficients de sécurité des produits, ainsi que l’amélioration des résines ont également conduit à des gains de consommation d’énergie.
Cet article se propose de faire le point sur l’état actuel de la situation. Dans un premier temps, le contenu énergétique massique (c’est-à-dire rapporté à un kilogramme de matière) des différents matériaux sous forme de tuyau sera déterminé. À partir de ces résultats, le contenu énergétique d’une unité de longueur de canalisation (c’est-à-dire rapporté à un mètre de canalisation) sera calculé et servira de base de comparaison. L’analyse portera sur les matériaux vierges, ainsi que sur les matériaux recyclés, dont l’importance croit régulièrement.
Détermination du contenu énergétique massique
Méthode d’évaluation
La méthode utilisée pour déterminer le contenu énergétique consiste à établir un bilan des quantités d’énergie et de matière nécessaires pour fabriquer un kilogramme de matériau sous forme de tuyau. Le système analysé peut prendre la forme physique d’une unité intégrée, comme l’est une usine de fabrication de tuyaux en fonte ductile, mais il peut être également « éclaté ».
comme c'est le cas pour les matières plastiques. Le raffinage du pétrole, la production de l'éthylène, la polymérisation et l'extrusion sont réalisés dans des sites industriels différents (encadré 2). Il est également nécessaire de prendre en compte le contenu énergétique des produits qui sont incorporés tout au long du cycle de production.
Les unités pétrochimiques produisant les matières premières de l'industrie des polymères génèrent une multitude de produits. L'affectation de l'énergie consommée n'est pas simple. Des méthodologies de répartition ont été développées. Elles sont sources d'écart au niveau des résultats [2]. Pour fabriquer des produits comparables, différents procédés, d’efficacité énergétique variable, sont également utilisables. Concernant la production des tuyaux en fonte ductile, deux procédés seront comparés, l'un basé sur le haut-fourneau, l'autre sur le cubilot. Ces deux procédés conduisent à des produits strictement identiques. Pour le PVC et le PE hd, les données moyennes publiées par l'industrie de la plasturgie ont été utilisées [3].
La comptabilité de l’énergie est effectuée en énergie primaire, dont la base est le pétrole brut. Le contenu énergétique est exprimé en Méga-Joules par kilogramme (MJ/kg) de matériau. Pour convertir la consommation d’électricité en énergie primaire, on emploie l'équivalence 9,3 MJ pour 1 kWh. Ce ratio est utilisé par l'Observatoire de l’Énergie du Ministère de l’Industrie, afin de tenir compte du rendement de la production d’électricité.
Cette approche néglige divers points, parmi lesquels les dépenses d’énergie pour transporter les matériaux à la porte des usines, les dépenses d’énergie pour transporter les tuyaux sur les sites de pose, les contenus énergétiques des installations de production. Ces quantités sont faibles et ne sont pas discriminantes pour comparer les matériaux étudiés. Le minerai de fer, les ferrailles et le sel (NaCl) ont un contenu énergétique nul à l'entrée du site de production. Les contenus énergétiques du charbon (pour la fonte ductile) et du pétrole (PE hd et PVC) sont pris égaux à leurs pouvoirs calorifiques [4].
Fonte ductile élaboréeau haut fourneau
Le bilan a été effectué à partir des données de production de l'usine de Pont-à-Mousson de PAM S.A. Le minerai de fer est traité dans une chaîne d’agglomération puis enfourné avec du coke (produit sur place, à partir de charbon) dans le haut-fourneau, afin de réduire le minerai. La fonte liquide obtenue subit différents traitements métallurgiques, puis est coulée directement dans des machines à centrifuger. Les tuyaux sont traités thermiquement afin de conférer une bonne ductilité au métal. Ils sont revêtus extérieurement d'une couche de zinc, puis d'une peinture bitumineuse, et intérieurement d'un mortier de ciment déposé par centrifugation. L’usine est intégrée ; le cycle de production est particulièrement court, le métal coulé étant directement transformé en tuyau.
Les sources d'énergie utilisées sont le charbon à coke, le coke sidérurgique, des goudrons et des huiles, du fioul et de l’essence, de l’électricité et du gaz. Le total représente 22 MJ/kg de fonte d’énergie primaire. Notons que ce chiffre est voisin de ceux publiés par l'industrie sidérurgique [5] où l’on relève 22,4 MJ/kg d’acier brut pour la France. Différents produits métallurgiques sont incorporés à la fonte, comme le ferro-silicium, le magnésium et des terres rares, afin d’obtenir de la fonte ductile. L’équivalent en énergie primaire représente environ 0,8 MJ/kg de fonte [6]. Le contenu énergétique total de la fonte est donc d’environ 22,8 MJ/kg. Les revêtements extérieurs représentent environ 16 MJ/m² de surface de tuyau [5]. Le contenu énergétique du ciment intérieur vaut environ 2 MJ/kg [7], soit environ 13 MJ/m². Les revêtements représentent environ 0,6 MJ/kg de fonte.
Fonte ductile élaborée au cubilot
Le bilan a été effectué à partir des données de production de l'usine de Foug de PAM S.A. La matière première n’est plus le minerai de fer, mais des ferrailles recyclées et des fontes. Leur part respective évolue selon le cours des ferrailles. À la différence du haut-fourneau, le fer n’est plus sous forme oxydée, ce qui permet d’épargner une grande quantité de coke. Le traitement préalable des ferrailles représente 0,3 MJ/kg [8] de ferrailles. On enfourne également des fontes élaborées au haut-fourneau, dont le contenu énergétique est de 23 MJ/kg. Les consommations d’énergie sont le coke métallurgique, du fioul, de l’électricité et du gaz. Le total représente 8 MJ/kg de fonte. Le haut-fourneau produit une fonte riche en silicium. Par contre, les ferrailles d’acier sont pauvres en silicium. Il est donc nécessaire d’en ajouter afin d’obtenir une fonte d’analyse satisfaisante. Ces ajouts représentent environ 2,5 MJ/kg de fonte. Le contenu énergétique de la fonte ductile élaborée au cubilot est d’environ 15 MJ/kg. Notons que l’écart est sensible avec la filière haut-fourneau puisqu’il atteint 8 MJ/kg. Le contenu énergétique des revêtements est inchangé. Cela donne donc un total d’environ 16 MJ/kg de fonte sous forme de tuyau revêtu.
Polyéthylène haute densité
Le polyéthylène est obtenu par polymérisation de l’éthylène. L’éthylène est produit à partir d’hydrocarbures comme l’éthane, le propane, le naphta, … En Europe, la source principale est le naphta, dérivé léger du pétrole [9].
La consommation d’énergie, pour produire un kilogramme de PE hd, est répartie de la manière suivante [10] : 42 MJ/kg pour le pétrole de base, 4,2 MJ/kg pour la production du naphta, 16,8 MJ/kg pour le cracking du naphta et obtention de l'éthylène et enfin 12,6 MJ/kg pour la polymérisation de l’éthylène. Le total vaut environ 75,6 MJ/kg de résine de PE hd. D’autres références récentes donnent une fourchette comprise entre 68 et 102 MJ/kg [11].
La mise en forme par extrusion peut être évaluée à environ 5 MJ/kg de polyéthylène [12]. La production de tuyaux en PE hd mobilise donc environ 80 MJ/kg.
Polychlorure de vinyle
Le PVC est obtenu par polymérisation du chlorure de vinyle monomère. Cet intermédiaire est synthétisé par chloration ou oxychloration de l’éthylène suivie d’un craquage thermique du dichlorométhane. Le chlore représente environ 57 % de la masse du PVC. L’électrolyse du chlorure de sodium, le sel de cuisine, nécessite environ 3 MJ/kg de chlore. En utilisant une équivalence électricité-énergie primaire de 9,3 cela donne environ 16 MJ/kg de PVC. La production du chlorure de vinyle monomère représente environ 8 MJ/kg de même que la polymérisation [10]. Le total est d’environ 59 MJ/kg de PVC. D’autres sources récentes donnent une fourchette de 48 à 78 MJ/kg [11]. Un important producteur de PVC vient de publier les chiffres pour ses unités de production …
2. Dans les procédés métallurgiques le coke sert de source d'énergie, mais également de source d’agent réducteur pour transformer les oxydes en métal.
3. NF A 48-801 pour la fonte ductile, NF T 54-016 pour le PVC, NF T 54-063 pour le PE hd.
duction [13] : la moyenne se situe également à 59 MJ/kg. La mise en forme par extrusion est également évaluée à environ 5 MJ/kg de PVC [12]. La production d'un tuyau en PVC mobilise environ 64 MJ/kg.
Les valeurs obtenues par matériau et procédé sont rassemblées dans le tableau I.
Prise en compte du recyclage
En fait, une bonne partie de l’énergie utilisée pour fabriquer les tuyaux est stockée dans le sol. Cette énergie pourrait être récupérée en fin de vie de la canalisation, lors du démantèlement. Ainsi, par exemple, il est possible de récupérer 46 MJ/kg de PEhd et 18,4 MJ/kg de PVC en brûlant ces polymères. Pour la fonte ductile la situation est plus complexe, mais comparable. Lors de l’élaboration au haut-fourneau, c’est la réduction du minerai de fer à l’état métallique qui coûte le plus d’énergie. Donc le tuyau enterré stocke également de l’énergie sous forme chimique (autant d’énergie de moins à dépenser pour réduire le minerai). Par conséquent, l’utilisation de la fonte ductile recyclée comme ferrailles, à la place de ferrailles ordinaires, permet une élaboration au cubilot consommant environ 10 MJ/kg contre 16 MJ/kg. Cela correspond à 8 MJ/kg de coke et divers combustibles, et environ 1,5 MJ/kg de produits métallurgiques divers. Notons que les ferrailles peuvent également être utilisées au haut-fourneau. C’est une pratique marginale pour le moment, dont le bilan énergétique est voisin de celui du cubilot. Les revêtements internes et externes ne peuvent pas être récupérés.
En retirant la chaleur de combustion (le Pouvoir Calorifique Inférieur, ou PCI en termes techniques) au contenu énergétique des tuyaux en matières plastiques et en le comparant à celui d’une fonte ductile recyclée au cubilot, il est possible de simuler de façon réaliste l’incidence du recyclage sur le déplacement relatif des contenus énergétiques. D’autres méthodes de recyclage pourraient être envisagées, comme le rebroyage des polymères, la régénération de monomères… Le rebroyage n'est pas envisageable pour les tuyaux sous pression, qui ont des exigences élevées en termes de qualité et de contrôle des résines de base. En effet, après un long séjour sous terre, avec de nombreuses sollicitations, les chaînes macromoléculaires sont altérées. Il n’est donc pas possible de broyer simplement les polymères pour les transformer en de nouvelles canalisations. De plus, les normes limitent fortement l'utilisation de rebroyés, même au sein des usines de production de tuyaux. La régénération des monomères, qui permettrait un nouveau cycle, est une voie encore peu explorée, elle ne sera pas envisagée ici.
La prise en compte du recyclage se fera en considérant que la combustion est la meilleure valorisation possible des matières plastiques. Le tableau II rassemble les valeurs des contenus énergétiques massiques retenus.
Limite des évaluations
Ces évaluations donnent un ordre de grandeur moyen des consommations d’énergie pour produire les matériaux considérés. Certains produits peuvent être situés plus haut ou plus bas. Selon les sites de production, l’âge des installations, la politique des producteurs, et d'autres paramètres, les résultats peuvent varier de manière sensible. Les règles de comptabilisation et d’affectation de l’énergie peuvent également modifier sensiblement les résultats. Cependant, les valeurs retenues ici donnent le poids des postes les plus importants et sont basées sur des chiffres publiés par les producteurs de polymères d’une part, et des données de production d’autre part. Ces données permettent d’envisager une comparaison fiable des contenus énergétiques des canalisations.
Comparaison du contenu énergétique des tuyaux
Choisir une base de comparaison
La comparaison des contenus énergétiques doit être basée sur une mesure du service rendu à l'utilisateur. Ce service doit être quantifiable. Le diamètre intérieur de la canalisation, qui définit la capacité à transporter un fluide, a été retenu comme base. Ce faisant, des aspects fondamentaux du produit, comme la sécurité du service, la réserve de pression, la robustesse, la durabilité sont négligés. Afin d’en tenir compte partiellement, deux classes de pression ont été utilisées pour les canalisations en matières plastiques, PN 10 et PN 16. La classe PN 16 est la plus comparable aux canalisations en fonte ductile, bien qu’elle n’en atteigne pas les performances. Les valeurs définies dans les normes Afnor ont été utilisées*. Comme les canalisations en matières plastiques sont définies par le diamètre extérieur, un calcul a été effectué afin de ramener ces diamètres extérieurs à des diamètres intérieurs identiques à ceux des tuyaux en fonte ductile. Une comparaison sera également effectuée sur la base des diamètres nominaux les plus proches. Le contenu énergétique s‘exprime en GJ/m linéaire (1 GJ = 1000 MJ).
Comparaison du contenu énergétique sur la base du diamètre intérieur
La figure 1 représente le contenu énergétique par unité de longueur de canalisation en fonction du diamètre intérieur. D’emblée, on constate que le contenu énergétique des produits en fonte ductile augmente moins vite que celui des canalisations en matières plastiques. Dans les diamètres moyens et grands, les produits en PEhd se situent au-dessus du PVC qui se situe lui-même au-dessus de la fonte ductile. Les classes de pression PN 10 consomment évidemment moins d’énergie que les produits en PN 16. Les produits en fonte ductile élaborée au cubilot sont les plus avantagés.
La figure 2 détaille la situation pour les petits diamètres compris entre 60 et 200. On constate qu'il y a peu d’écart entre les différents produits. Dès le diamètre intérieur
100, le PEhd PN 16 est le plus important consommateur d’énergie. Au diamètre 100, la fonte ductile élaborée au cubilot est en dessous du PVC PN 16.
La figure 3 permet une comparaison plus aisée des valeurs par classe de diamètre. Lorsque le diamètre augmente, la fonte ductile devient de plus en plus compétitive. En fait, dans les petits diamètres la fonte ductile est caractérisée par des coefficients de sécurité et des pressions nominales (64 bars) très élevés, ce qui la pénalise du point de vue du contenu énergétique. Le PEhd limite son handicap en diminuant de façon très sensible le coefficient de sécurité, puisqu’il ne vaut plus que 1,3. Ces résultats, qui remettent en cause certaines idées reçues [14], sont en bon accord avec une récente étude publiée en Grande-Bretagne [15].
Effet du recyclage
La figure 4 reprend les mêmes calculs que la figure 1, mais en utilisant les données du tableau II qui correspondent aux produits recyclés. Les gains de contenu énergétique sont tout à fait considérables. Le comportement global observé sur les matières vierges est conservé pour les matières recyclées. Au fur et à mesure que le diamètre augmente l’avantage de la fonte ductile s’accroît. La principale différence provient du fait que les produits en PVC et en PE ont alors des contenus énergétiques quasiment identiques pour chaque classe de pression. L’examen détaillé des résultats montre que la fonte ductile est plus économe par rapport aux tuyaux en matières plastiques PN 16 dès le diamètre intérieur 100 et dès le diamètre 200 pour le PN 10. La figure 5 donne les valeurs relevées pour différents diamètres sélectionnés.
Par conséquent, la prise en compte du recyclage n’affecte que très peu le classement des produits par rapport aux matériaux « vierges ». Le PVC et le PEhd deviennent tout à fait comparables. Dès les diamètres 100 à 200 la fonte ductile devient nettement plus économe en énergie.
Conclusion
Cette analyse du contenu énergétique de différents types de canalisations permet de mieux appréhender les quantités réelles mises en jeu. Dans les petits diamètres, les écarts sont faibles entre les différents produits. Par contre, dès que le diamètre intérieur augmente la tendance est de plus en plus favorable aux produits en fonte ductile. Globalement, le PEhd est le plus consommateur d’énergie des trois matériaux considérés. La prise en compte du recyclage modifie très peu ces résultats. Les produits en fonte ductile tirent déjà parti des avantages du recyclage de ferrailles de récupération mises au cubilot. Toutefois, ces résultats intéressants ne doivent pas faire oublier que les qualités intrinsèques des produits, leur aptitude à l’emploi, la sécurité qu’ils fournissent à l’exploitant, … demeurent des critères de choix prépondérants.
Tableau I
Contenu énergétique unitaire de la fonte ductile de haut-fourneau, de cubilot, du PEhd et du PVC(En MJ/kg du matériau considéré, sous forme de tuyau, revêtements inclus.)
| Matériau | Contenu énergétique (MJ/kg) |
|---|---|
| Fonte ductile Haut-fourneau | 23 |
| Fonte ductile Cubilot | 16 |
| PVC | 64 |
| PEhd | 80 |
Tableau II
Contenu énergétique massique de la fonte ductile, du PEhd et du PVC recyclés(En MJ/kg du matériau considéré, sous forme de tuyau.)
| Éléments | Fonte ductile recyclée | PVC | PEhd |
|---|---|---|---|
| Contenu énergétique de la matière vierge | 16 | 64 | 80 |
| Gain dû au recyclage | 6 | 18 | 46 |
| Contenu énergétique du tuyau recyclé | 10 | 46 | 34 |
BIBLIOGRAPHIE
[1] D. Chouchan, Les industriels verts à l’assaut de la planète bleue, La Recherche, n° 243, mai 1992, Vol. 23, p. 635-638.
[2] P. Leprince et al., Comment calculer le contenu énergétique des produits d’origine pétrolière et de leurs substituts d’origine charbonnière ou végétale, dans « Énergétique Industrielle, T2 », P. Le Goff, Éditions Lavoisier.
[3] Le recyclage thermique, clef de voûte d'une gestion rationnelle des déchets, Syndicat des producteurs de matières plastiques, publié dans « Plastiques modernes et élastomères », octobre 1991, p. I-XVI.
[4] Bilans de matières premières/énergie de produits substituables, étude réalisée par le CEREN pour l'Agence pour les Économies d’Énergie, 1979, p. 26.
[5] D. Forrest, J. Szekely, Global warning and the primary metal industry, Journal of Metals, décembre 1991, p. 23-30.
[6] P. Frost et al., Energy consumption in the primary production of metals, Iron and Steel Engineer, avril 1979, p. 50-56.
[7] D. Chouchan, Les industriels verts à l’assaut de la planète bleue, « La Recherche, n° 243, mai 1992, vol. 23, p. 635-638.
[8] 6th advanced technology symposium, Scrap-based steelmaking systems for the 90s, 16-18 octobre 1988, Innisbrook, Tarpon Spring, FL, USA, intervention de F. Harling.
[9] Ulmann’s encyclopedia of industrial chemistry, vol. A 18, article éthylène, p. 46-47.
[10] Le recyclage thermique, clef de voûte d'une gestion rationnelle des déchets, Syndicat des Producteurs de Matières Plastiques, publié dans « Plastiques Modernes et Élastomères », octobre 1991, p. I-XVI.
[11] PVC and the environment, Norsk Hydro, 1992, p. 59.
[12] Idem, p. 60.
[13] Idem, p. 63.
[14] J. Elkington, J. Hailes, The Green Consumer’s Supermarket Shopping Guide, 1989, cité dans Le PVC et ses applications, J. Dumont et J. Guignard, Éditions Nathan Communication, 1991. Les auteurs affirment que les canalisations en fonte consomment sept fois plus d’énergie que les canalisations en PVC…
[15] A. Williams, A comparison of energy requirements for making polyethylene, unplasticised polyvinyl chloride and ductile iron water pipes, Inst. Water Off J., 1992, 28, n° 2, p. 8-11.
