Infodoc : Sciences, Techniques et Culture

Un modèle mathématique basé sur des résultats d’analyse de cycle de vie est développé, afin d’évaluer la performance environnementale de la gestion de la fin de vie des bouteilles de PET. Une gestion optimale des flux de déchets est définie à l’aide d’un algorithme d’optimisation multiobjectif et d’outils d’aide à la décision. Ce modèle est facilement adaptable à un produit donné tels les plastiques biosourcés ou les déchets organiques, et permet de déterminer la répartition optimale d’un déchet entre des filières de valorisation, ou encore d’optimiser des filières d’approvisionnement (par exemple pour une bio-raffinerie), dans le but de minimiser les impacts environnementaux. Après leur utilisation, les bouteilles en PET peuvent être mises en décharge, incinérées, ou encore recyclées[...]

Un modèle mathématique basé sur des résultats d’analyse de cycle de vie est développé, afin d’évaluer la performance environnementale de la gestion de la fin de vie des bouteilles de PET. Une gestion optimale des flux de déchets est définie à l’aide d’un algorithme d’optimisation multiobjectif et d’outils d’aide à la décision. Ce modèle est facilement adaptable à un produit donné tels les plastiques biosourcés ou les déchets organiques, et permet de déterminer la répartition optimale d’un déchet entre des filières de valorisation, ou encore d’optimiser des filières d’approvisionnement (par exemple pour une bio-raffinerie), dans le but de minimiser les impacts environnementaux. Après leur utilisation, les bouteilles en PET peuvent être mises en décharge, incinérées, ou encore recyclées par procédé mécanique, chimique ou thermique. Chaque type de procédé abouti à des produits distincts: fibres, films, bouteilles, composés chimiques, carburants... Le modèle ici développé calcule les impacts environnementaux associés au traitement des bouteilles de PET depuis leur berceau (extraction des matières fossiles), jusqu’à leur tombe, i.e. mise en décharge ou incinération, et ce en fonction du flux de bouteilles pris en charge par chaque filière. Ces calculs sont basés sur les impacts engendrés par chaque procédé pour un kilogramme traité, que l’on obtient à l’aide d’un logiciel dédié à l’analyse de cycle de vie, en utilisant la méthode d’impacts CML. Le modèle intègre de plus la possibilité pour une bouteille d’être recyclée plusieurs fois, et les impacts finaux sont constitués par la somme des impacts de chaque cycle de recyclage. L’étape de collecte sélective est modélisée de manière non linéaire, afin de rendre compte du fait que plus le flux de bouteilles est diffus, plus il est environnementalement coûteux de les collecter. Se pose alors le problème d’optimisation multiobjectif suivant: quelle est la répartition des flux de bouteilles usagées entre les différentes filières qui permet de minimiser les impacts environnementaux ? Ce problème est résolu à l’aide d’un algorithme génétique, aboutissant à un ensemble de solutions non-dominées ou front de Pareto. Un outils d’aide à la décision permet de sélectionner les meilleurs compromis en tenant compte des souhaits du décideur. Le modèle est appliqué au cas de la France en 2010, où seulement 50% des bouteilles ont été collectées et recyclées. Les paramètres minimisant simultanément la consommation de ressources fossiles, l’acidification de l’air et les émissions de gaz à effet de serre sont calculés. Dans le cas où les bouteilles de PET ne sont recyclées qu’une fois, la solution optimale est de collecter environ 83% des bouteilles, afin de les recycler en fibres ou en polyesters insaturés. Dans ce cas, la consommation de ressources fossiles, l’acidification de l’air et les émissions de gaz à effet de serre sont réduits de respectivement 32, 24 et 8.7% par rapport à la situation actuelle. Le résultat est très différent lorsque plusieurs boucles de recyclage sont possibles: dans ce cas, la solution optimale consiste à collecter 87% des bouteilles afin de les régénérer en de nouvelles bouteilles par recyclage mécanique. Dans ce cas, les impacts sont respectivement diminués de 141, 72 et 61%. Le modèle proposé est donc particulièrement intéressants pour quantifier le plus précisément possible les impacts environnementaux d’un produit, et déterminer une gestion des flux optimale. La prise en compte des boucles de recyclage successives change significativement les résultats et permet une importante diminution des impacts.

A mathematical model based on LCA results is developed to assess the environmental efficiency of the end-of-life management of PET bottles, and multiobjective optimization and decision support tools are used to define optimal targets for efficient waste management. This model can be easily adapted to any specific product like bio-based plastics or organic wastes to find the optimal allocation between valorization paths, or between supply paths (for instance supply of a biorefinery), in order to minimize the environmental impacts. After use, PET bottles can be landfilled, incinerated, or recycled by mechanical, chemical or thermal processes. Each recycling process leads to a different product e.g. fibres, film, bottles, chemicals, fuel... The model developed in this work computes the global environmental impacts associated with the treatment of PET bottles (expressed in kg) from their cradle to their ultimate graves, i.e. incineration or landfill, in function of the flow of bottles in the different valorization paths. They are based on the calculation of the impacts involved in each elementary process with a LCA software tool, using the CML impact assessment method. The model also takes into account the fraction ? of PET regenerated into bottles that can be further recycled. Finally, the global impacts are the cumulative impacts corresponding to each “end-of-life”. A non-linear model for the bottle waste collection stage is also considered, reflecting that the more diffuse the flow of bottles is, the more difficult it is to collect and consequently, the more environmentally impacting. The resulting multiobjective problem is to find the allocation of bottles between valorization paths that minimizes the environmental impacts of bottle end-of-lives. It is solved using a genetic algorithm, and the trade-off between environmental impacts is illustrated through Pareto curves. A decision support tool then determines best compromises among the optimal solutions. The model is then applied to the case of France in 2010, where only 50% of PET bottles were collected to be recycled. We determined the parameters that minimize simultaneously abiotic depletion, acidification and global warming potential. If we do not consider the fact that PET regenerated into bottles can be further recycled, the optimal solution is to collect about 83% bottles and to recycle them for 80% into fibers and for 20% into unsaturated polyesters. In this case, abiotic depletion, acidification and GWP are respectively reduced by 32, 24 and 8.7% when compared to the current situation. The result is different with multi-recycling trips for PET bottles. The best solution is then to collect 87% bottles and to regenerate all of them into bottles by mechanical recycling. In this case, impacts respectively decrease by 141, 72 and 61%. The model of the PET management system proposed here is particularly interesting to quantify the environmental impacts and determine optimal targets. The use of multi-recycling loops for PET bottles reduces significantly the environmental burdens.