#23 - Modéliser un stock de bâtiments dans une perspective matière, déchets et ressources

La connaissance du gisement de matériaux dans les bâtiments existants est un enjeu clef pour développer l’économie circulaire et ainsi envisager de réduire nos consommations de matières premières et émissions de déchets. 

Si de nombreux travaux ont été menés pour modéliser la consommation d’énergie et, parallèlement, l’émissions de CO² des bâtiments, les initiatives concernant la modélisation du stock de matériaux et des flux de matière sont plus limitées. Le développement de nouvelles bases de données fondées sur une caractérisation détaillée des composants des bâtiments permet aujourd’hui de modéliser plus finement le stock de matière sur un territoire et les flux associés (matières entrantes, déchets et matériaux générés) en vue de leur optimisation dans une logique d’économie circulaire.

Contexte

Dans un contexte de montée en puissance des enjeux associés à la matérialité des ouvrages (consommation de ressources et production de déchets) le projet BTPFLUX (2019-2020), impliquant notamment l’Ademe Ile-de-France et la Région Ile-de-France, a pour objectif de développer un modèle de caractérisation des stocks et des flux de matière à l’échelle d’un parc de bâtiments, avec la possibilité à terme de se déployer à différentes échelles territoriales.

Principes méthodologiques

La méthodologie développée s’appuie sur les principes suivants :

• une caractérisation de chacun des bâtiments existants sur le territoire, en croisant des données géolocalisées sur la morphologie de chacun des bâtiments du parc, des données sur la connaissance des procédés constructifs historiques et une caractérisation fine des matériaux et déchets associés aux produits de construction.
• une analyse des flux de rénovation et de déconstruction afin d’estimer la quantité de matériaux et déchets qui seront générés en fonction des différents types de travaux ;
• une analyse des taux de valorisation (par type de déchet et par filière de valorisation) et des impacts économiques (financiers, créations d’emplois) associés à ces flux.

D’autres travaux portent par ailleurs sur la caractérisation des consommations de ressources pour le secteur du bâtiment neuf et de la rénovation.

Morphologie du parc de bâtiments

La première étape de la modélisation repose sur la caractérisation de chacun des bâtiments existants sur le territoire considéré. Chaque bâtiment est caractérisé par sa période de construction, sa morphologie (surface, hauteur, surface vitrée, surface au sol…) ainsi que par sa typologie (logement individuel, logement collectif, bâtiments de bureaux, bâtiments industriels…). Cette étape permet notamment d’estimer les différentes quantités de murs, de planchers, de murs intérieurs, de surfaces vitrées…qui seront couplées avec la représentativité des systèmes constructifs dans la partie suivante.

Exemple d’analyse des bâtiments répartis sur un quartier

Exemple de caractérisation des surfaces de murs par période de construction et par matériau, pour le département des Yvelines

Caractérisation des systèmes constructifs : les macrocomposants

L’étape suivante consiste à caractériser les différentes parties d’ouvrage en produits et matériaux de construction. Elle repose sur le développement d’une base de données de macrocomposants, représentant par exemple un m² de mur extérieur en parpaing, un m² de vitrage en PVC, un m² de toiture en tuiles…comme le présente le schéma ci-dessous pour un élément de mur en bloc béton avec une isolation en laine de verre.

Les différents macrocomposants, représentant les différents systèmes constructifs ayant été mis en œuvre dans le parc existant, sont ensuite convertis en produits et matériaux, comme le montre le tableau suivant.

Le développement de ces macrocomposants permet d’avoir une approche agile car il est possible de modéliser chaque partie d’ouvrage indépendamment les unes des autres.

Exemple de macrocomposant

Caractérisation matière d’un macrocomposant

Les filières de valorisation

Pour chacun des types de déchet et matériau généré par les activités de rénovation ou de déconstruction, des scénarios de valorisation sont ensuite identifiés, en tenant compte de leur tri sur chantier ou non.

Une matrice déchet/exutoire vient caractériser les liens entre déchets et modes de valorisation.

Exemple de diagramme de Sankey pour la valorisation du plâtre trié en pied de chantier

Principe de la matrice déchets/exutoires

Impacts économiques

A l’issue de la quantification des déchets envoyés dans les différentes filières de valorisation, une estimation de leur impact économique est réalisée. Cet impact est présenté à la fois en matière de valorisation financière, mais également en matière d’emplois relatifs au traitement des déchets valorisés.

Il s’agit ici du croisement de données de coûts et de quantité de déchets comme explicité dans le schéma ci-dessous.

Modélisation des impacts économiques liés à la gestion des déchets

Incertitudes associées au modèle

Comme dans tout exercice de modélisation, il existe différentes incertitudes (par exemple sur la description de la morphologie intérieure des bâtiments, sur les procédés constructifs et leur évolution dans le temps ou la connaissance fine des coûts associés à la prise en charge des différents types de déchets et matériaux en fonction du type de valorisation). En particulier, la présence en substances aujourd’hui considérées comme nocives pour la santé humaine ou incompatibles avec les exigences des filières de recyclage restent aujourd’hui relativement méconnues.

Afin de limiter ces différentes sources d’incertitude, la méthodologie développée repose sur les principes suivants : une fiabilisation du modèle sur des territoires de taille limitée ou des sources de données complémentaires sont accessibles ; un bouclage du modèle en mobilisant d’autres études réalisées sur des méthodologies complémentaires (ex : analyse des quantités et typologies de déchets en se basant sur les gisements collectés par les différentes filières de valorisation). Par ailleurs, des développements complémentaires sont en cours afin de mieux caractériser les matières premières secondaires ainsi que les impacts sanitaires associés aux déchets et matériaux de construction.

Exploitations possibles et développements à venir

La meilleure connaissance des flux de matières générés par les activités du bâtiment sur un territoire répond à un double objectif : anticiper et améliorer.

- Anticiper : de nombreux flux de matière (consommation de ressources, production de déchets, nouvelles filières de valorisation) pourraient être optimisés si une meilleure adéquation entre offre et demande était organisée. Or cette adéquation repose sur une capacité à anticiper le plus en amont possible les différents flux générés. La modélisation des impacts matière que nous proposons permet justement d’avoir une connaissance des flux très en amont de la réalisation des projets puisqu’elle se base sur des données accessibles en amont ;

- améliorer : « Si on ne peut pas mesurer, on ne peut pas améliorer » disait Lord Kelvin. La modélisation proposée repose sur une représentation à l’échelle du bâtiment ce qui permet de s’adapter facilement au territoire considéré tout en ayant une vision complète des flux matière. Ceux-ci étant bien définis, leur optimisation est possible dans une logique d’économie circulaire.

Les perspectives d’exploitation de modèles de flux de matière sont nombreuses, comme par exemple :

- anticiper des flux de déchets qui seront générés par une opération d’aménagement pouvant aller jusqu’aux flux de matériaux ;

- anticiper des consommations de ressources qui seront associées à un projet d’aménagement ;

- analyser l’origine des flux de déchets pour une filière spécifique (types d’opération, typologie de bâtiment…) afin de mieux cibler la provenance et organiser un système de collecte approprié en vue d’augmenter le taux de captation ;

- analyser à l’échelle d’une famille de produit des fins de vie constatées en vue d’identifier les principaux vecteurs d’amélioration ;

- analyser des impacts socioéconomiques associés à une plus grande valorisation matière des déchets ;

-  comparer, sur un territoire ou un ensemble de projets spécifiques, des flux de déchets générés et des besoins futurs en matériaux afin de planifier des boucles circulaires le plus en amont des projets ;

- réaliser des études prospectives sur les impacts associés à une meilleure valorisation des déchets et matériaux du bâtiment sur un territoire ;

Afin de pouvoir mener à bien l’ensemble de ces différentes exploitations, certains développements complémentaires sont nécessaires pour affiner le niveau de précision de ce type de modèle :

- en premier lieu, renforcer la connaissance sur la présence en substances aujourd’hui considérées comme nocives pour la santé humaine ou incompatibles avec les exigences des filières de recyclage. Ce point est central, en particulier pour : maitriser les risques sur la santé des travailleurs du secteur, ne pas réintroduire des substances néfastes dans les nouveaux produits via le développement des matières premières secondaires et affiner les connaissances sur les potentialités de valorisation matière des déchets et matériaux du bâtiment ;

- améliorer la connaissance des modèles économiques, à la fois actuels et futurs, des filières de valorisation des matériaux et déchets du bâtiment ;

- renforcer l’adéquation avec les gisements et la disponibilité des différentes ressources ;

- renforcer les connaissances historiques sur les procédés constructifs mis en œuvre dans les bâtiments existants ;

Sur ces exploitations ou développements envisagés, le CSTB conduit des activités de recherche avec des partenaires et réalise des missions d’accompagnement.

Conclusion et perspectives

La gestion de la matérialité du bâtiment est au croisement de deux enjeux majeurs.

D’une part, l’intégration progressive de critères environnementaux et circulaires dans la commande des maitres d’ouvrage, avec notamment : l’entrée en vigueur prochaine de la RE2020 intégrant les émissions de gaz à effet de serre des produits et équipements de construction ; le développement de labels incitatifs mettant en avant l’économie circulaire ; ou perspective de la loi ELAN qui intègrera des exigences liées à la matérialité pour les nouveaux bâtiments.

D’autre part, la croissance des exigences associées à la valorisation et, en particulier, du réemploi et du recyclage des matériaux et déchets du bâtiment : projet de loi sur l’économie circulaire, atteinte du seuil de 70% de valorisation de matière en 2020 pour les déchets du bâtiment, augmentation progressive de la TGAP sont autant de mesures qui vont progressivement contribuer à un allongement des flux de matière issus du bâtiment.

Dans un contexte ou la matérialité du bâtiment n’a été abordée que de manière indirecte, sa prise en compte progressive présente à la fois un formidable potentiel de développement (nouvelles compétences et nouveaux emplois, réduction importante des émissions de gaz à effet de serre, limitation de la dépendance aux ressources non renouvelables) et une source de risques majeurs (en particulier concernant les impacts sanitaires associés aux déchets et matériaux du bâtiment ou aux matières premières secondaires). Par ailleurs, les questions liées aux conditions de son développement, en particulier les questions concernant les modèles économiques, demeurent nombreuses.

Ainsi, les enjeux de matérialité du bâtiment soulèvent de nombreux enjeux scientifiques et techniques : mobilisation des outils numériques et développement de méthodes statistiques pour reconstituer finement un parc de bâtiments ; développement de nouvelles méthodes de reconnaissance et de fiabilisation des performances ; capitalisation et structuration des connaissances autour des procédés constructifs existants ou à venir ; développement de méthodes, critères et indicateurs de caractérisation de l’économie circulaire ; analyse des conditions de développement de nouvelles activités économiques autour de l’allongement du cycle de la matière ; enfin, développement d’outils, de méthodes et de référentiels permettant d’intégrer dès à présent ces enjeux dans la conception des nouveaux produits ou des nouveaux ouvrages.

Cet ensemble de problématiques constitue le socle des trois axes de la feuille de route du CSTB sur l’économie circulaire et définit les enjeux sur lesquels il se mobilisera fortement, avec ses partenaires, dans les années à venir.

Article co-signé Manuel Bazzana, Frédéric Bougrain, Mathilde Doutreleau, Emilie Gully, Sylvain Laurenceau, Mathilde Louerat, Adelaïde Mailhac, Rafaela Tirado, direction Energie-Environnement, CSTB

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