Projet

Généralités

Production de plastique

Les plastiques sont aujourd'hui omniprésents dans notre vie quotidienne. Dans la plupart des pays, ils sont utilisés dans plusieurs domaines : emballage, construction, automobile, textile, électronique, agriculture, etc... La production de plastiques mondiale avoisine les 250 millions de tonnes par an. Les principales régions productrices de plastiques sont l'ALENA (Accord de Libre-Échange Nord Américain) et l'Europe, avec chacune un quart de la production en 2010 ainsi que la Chine (15%). Sur cette quantité produite, on estime que 10% finit dans l'océan, c'est-à-dire que chaque année, environ 25 millions de tonnes de plastiques viennent s'ajouter aux quantités déjà astronomiques présentes dans les océans.

Déchets flottants (Photo : © Zac Noyle/A Frame)

Sources de pollution

Environ 80% des déchets proviennent des côtes (plages, cours d'eau) et les 20% restants sont issus des bâteaux.

On retrouve quatre sources principales de pollution des océans par les plastiques :

  • Les déchets laissés par les touristes sur les plages.
  • Les rejets d'eaux usées dans les fleuves ou dans les mers. Cet apport de plastiques a principalement lieu lors de fortes pluies. En effet, dans ces cas là, les déchets présents dans les rues sont entraînés dans les canalisations et finissent dans les fleuves.
  • Les déchets liés à la pêche : les pêcheurs abandonnent ou perdent souvent leur matériel usagé sur les plages ou le long des côtes.
  • Les déchets rejetés par les bateaux : lors des traversées des océans, la plupart des bateaux relargue leurs détritus dans l'eau, que ce soit volontairement (certains bateaux se servent de l'océan pour se débarrasser gratuitement de leurs déchets) ou accidentellement.

Devenir des plastiques dans les océans

Sur tous les déchets rejetés dans les océans, environ un tiers se retrouve au niveau des centres des gyres (tourbillons d'eau formés par les courants océaniques, présent dans chaque océans). Les plastiques restants sont ramenés sur les plages par les courants ou se retrouvent au fond de l'eau.

Au niveau des gyres il existe des foyers où les concentrations en plastiques sont très importantes. On estime la concentration à environ 5 000 g/km2. Cependant, peu de mesures ont été faites pour l'instant et leur fiabilité n'est pas démontrée.

Localisation de la zone de déchets dans l'Atlantique Nord et concentration des déchets plastiques (Source: http://www.lefigaro.fr/environnement/2010/08/20/01029-20100820ARTFIG00514-une-mer-de-plastique-dans-l-ocean-atlantique.php)

Les déchets plastiques se dégradent peu à peu dans les océans, jusqu'à former des particules de plus en plus petites (de l'ordre du micromètre). Tous ces plastiques, qu'ils soient sous forme de macro ou de micro déchets, sont toxiques et ont des répercussions catastrophiques sur l'environnement.

Effets sur l'environnement

Tout d'abord, les gros déchets (bouchons, sacs, briquets, ...) sont ingérés par les oiseaux, tortues et grands animaux marins, qui les confondent avec leurs proies habituelles. Cette ingestion entraîne une occlusion digestive conduisant souvent à la mort. On estime que 36% des oiseaux marins, 43% des baleines et dauphins et toutes les espèces de tortues marines sont susceptibles d'avaler des déchets plastiques.

Oiseau ayant subit une occlusion digestive (Photographe Chris Jordan)

​En plus de ce problème, de nombreux animaux marins sont régulièrement piégés, blessés ou étranglés par des déchets plastiques (fils, filets, emballages plastiques...). Par exemple, les espèces pulmonées, qui ont besoin de retourner en surface pour respirer, peuvent s'étouffer, bloquées dans des filets en profondeur. On estime de 100 000 à un million le nombre de mammifères marins et oiseaux de mer tués par les plastiques chaque année (les évaluations varient suivant les organismes de mesure et sont sûrement sous-estimées).

Torture impactée par un déchet plastique (Source : futurasciences.org)

Les petites particules elles aussi sont néfastes pour l'environnement. En effet, certains poissons et le phytoplancton les confondent avec leur nourriture. Elles se retrouvent donc en grande quantité dans la chaîne trophique et contaminent ainsi toutes les espèces marines et remontent ainsi jusqu'à l'homme. Ceci est d'autant plus néfaste que ces particules peuvent accumuler des polluants organiques persistants, et relarguer certaines molécules dont elles sont constituées, comme par exemple des plastifiants.

A ces problèmes s'ajoutent le transport par les débris d'espèces invasives, comme les algues, bactéries, insectes, mollusques, ... Par exemple, aux Seychelles, 60% des déchets échoués présentaient des espèces fixées, potentiellement invasives. On peut également citer le cas du Canada, ou 54 nouvelles espèces seraient arrivées par ce biais, suite au tsunami au Japon!

Le devenir des déchets dans l'océan

Positionnement du problème

Comme nous l'avons expliqué précédemment, des tonnes de plastiques se retrouvent chaque année dans les océans et 30% d'entre eux viennent s'accumuler au centre des gyres. Dans le cas de l'Océan Atlantique Nord, on retrouve la majorité au niveau du centre du gyre subtropical, situé à environ 1 000 km des côtes américaines, à une latitude comprise entre 15° et 45°.

Le but de cet axe est de modéliser les courants marins de l'Atlantique Nord afin d'avoir une bonne représentation du gyre puis d'expliquer l'accumulation des déchets plastiques au centre de ce dernier.

Les courants océaniques sont complexes et encore mal connus. Ils dépendent de nombreux paramètres qui ne sont pas tous prévisibles et modélisables. Nous allons faire ici une description des courants marins générale. Cette description ne sera pas totale car elle ne pourra pas prendre en compte les phénomènes non prévisibles.

L'Océan Atlantique

Généralités

De part sa superficie de 94 millions de kilomètres carrés, l'Océan atlantique est le second plus grand océan au monde derrière le Pacifique.

Son volume est de 348 millions de kilomètres cubes, sa profondeur moyenne est de 3250 mètres et près de 50 pays possède un côte le long de l'Atlantique.

source : techno-sciences.net

Selon les conventions fixés par l'Organisation Hydrographique Internationale, les frontières de l'Atlantique sont principalement basé sur les Caps et sont définis comme suit:

- L'Atlantique est séparé de l'Océan Arctique

  • Par une ligne allant de la côte du Labrador au Groenland suivant le parallèle de 65° de latitude nord, à l'Ouest du Groenland
  • A l'Est du Groenland, par une ligne allant du cap Nansen au Groenland à Straumness au Nord-Ouest de l'Islande
  • A l'Est de l'Islande, par une ligne partant du Gerpit à l'est de l'Islande, passant par l'île de Jan Mayen et finissant au sud de l'archipel du Svalbard
  • A l'est, par une ligne reliant le Sud du Svalbard avec le Cap Nord en Norvège

- L'Océan Atlantique est séparé du Pacifique au Sud-Ouest Par une ligne partant du Cap Horn et suivant le méridien 67° 16' de longitude ouest, en direction du Sud. Cette séparation entre ces deux océans est aussi appelée Passage de Drake.

- Il est séparé de l'Océan Indien, au Sud-Est par une ligne partant du cap des Aiguilles et suivant le méridien 20° de longitude est, en direction du Sud.

- Le parallèle 60° de latitude sud le sépare de l'Océan Austral.

Souvent l'Atlantique est séparé en deux parties selon une ligne qui passe vers 8° de latitude Nord: l'Atlantique Nord et l'Atlantique Sud.

Au sein de notre étude, nous nous limiterons notre zone d'étude à l'Atlantique Nord et à son gyre subtropical.

Les courants principaux du gyre subtropical de l'Atlantique Nord

Il existe deux types de courants, les courants de surface et les courants de profondeur. 

Les premiers sont dus aux radiations solaires, de manière directe ou indirecte. D'une part, ces radiations entraînent des différences de température au niveau des masses d'air, ce qui crée les différents vents. Par friction, les vents vont déplacer des masses d'eau au niveau de la surface de l'océan. D'autre part, les radiations solaires modifient les températures des masses d'eau, entraînant précipitations et évaporations, et donc modification de la salinité. Ces changements de température et de salinité entraîne des variations de densité, à l'origine des déplacements verticaux des masses d'eau. 

Les courants de profondeur, quant à eux, sont dus aux modifications des caractéristiques de l'eau par les précipitations, les apports d'eau par les fleuves, l'évaporation, la congélation de l'eau ... Ces phénomènes entraînent en effet des variations de température et de salinité, à l'origine des déplacements des masses d'eau.

 Cartes de courant de l'Atlantique Nord établie par l'armée américaine en 1943

Cartes des courants de l'Atlantique Nord établie par l'armée américaine en 1943

Au sein de l'Atlantique Nord, plusieurs courants peuvent expliquer la formation du gyre Océanique de l'Atlantique Nord. Parmi ces courants, on retrouve:

  • le Gulf Stream, courant très connu et très étudié, dont la formation à lieu dans le Golfe du Mexique, où les eau sont chaudes. Ce courant passe entre Cuba et la pointe Floride, niveau où sa largeur est maximale (environ 80 km). A cet endroit, son débit y est estimé à 85 millions de mètres cube d'eau par seconde et sa température en 30 et 35 °C. Il longe ainsi la pointe de la Floride, vers le Nord, avant de changer de direction, vers le Nord Est, poussé par les eaux froides du courant du Labrador.
     
  • La dérive Nord Atlantique, considérée comme une extension du Gulf Stream prolongeant ce dernier vers le Nord-Est. Elle se sépare en deux à l'Ouest de l'Irlande, l'une des branches étant le courant des Canaries, l'autre continuant le long des côtes du Nord-Ouest de l'Europe où il réchauffe le climat.
     
  • le Courant des Canaries, qui longe les côtes marocaines jusqu'au environs du Cap Blanc en été et jusqu'aux côtes sénégalaises en hiver. Ce courant de direction sud-ouest est situé généralement entre le surface et 500 mètres de profondeur. Sa vitesse est de 0,5 noeuds, mais peut parfois atteindre 2 noeuds quand les vents soufflent du Nord. Sa largeur peut atteindre 1000 km et son débit est estimé à 16 millions de mètres cubes par secondes.
     
  • le Courant Nord équatorial,qui commence à hauteur des îles du Cap-Verts dans le prolongement du courant des Canaries et dont les eaux, devenues chaudes, atteignent la zone tropicale. Ce courant rejoint les courants des Caraïbes et des Antilles, fermant ainsi la boucle débuté avec le Gulf Stream.

Les routes maritimes

Bien que la plus grande parties des déchets se retrouvant au centre du gyre provient des continents par le biais des fleuves et des côtes, on estime à 20 % la part de déchets plastiques imputable aux relargages par les bateaux.

Ci-dessous figure une carte des principales voies maritimes empruntées par les bateaux de marchandises. Les trafics maritimes au niveau de l'Atlantique Nord sont très nombreux. En effet, ....bateaux traversent cet océan chaque année. On constate néanmoins que les voies maritimes semblent grossièrement contourner l'intérieur du gyre et se concentrent au niveau sur les bords de ce dernier.

Il n'existe pas de route maritime clairement définie, contrairement aux voies aériennes par exemple. Ainsi, il est difficile d'identifier l'existence de routes maritimes plus empruntées que d'autres et donc d'identifier clairement les sources de déchets plastiques jetés dans la mer depuis les navires. Cependant, ils ne sont pas relargués directement au centre du gyre, mais plutôt sur la partie extérieure.

 

Modélisation des courants marins

Pour toutes les équations, nous travaillerons en coordonnées cartésiennes, avec $\vec{e_x}$ et $\vec{e_y}$ les axes horizontaux et $\vec{e_z} $ l'axe vertical.

Les hypothèses

Nous allons prendre en compte plusieurs hypothèses, afin de simplifier les équations.

Approximation de Boussinesq

On considère que les variations de la masse volumique en fonction du temps et des variables spatiales  sont très faibles, soit :

$ \rho = \rho_0 + \rho' (x,y,z,t) $ avec  $\rho' << \rho_0 $

Cette approximation nous permet d'obtenir une divergence de la vitesse nulle : $ \nabla \mathbf U = 0 $.

Approximation hydrostatique

On considère que les variations verticales sont négligeables par rapport aux variations horizontales (facteur 1000). Les termes de Coriolis, d'advection et d'accélération ainsi négligeables devant le gradient de pression, ce qui nous permet d'obtenir l'équilibre hydrostatique : \[ \frac {\delta P}{\delta z}= - \rho g \]

Incompressibilité 

La masse volumique de l'eau ne dépend pas de la pression.

Hypothèse sur la profondeur 

On suppose également que la profondeur de l'océan est négligeable par rapport au rayon de la Terre, on peut donc se placer en coordonnées cartésiennes et non en coordonnées sphériques, ce qui simplifie grandement les équations.

 

 

 

Les équations régissant les courants

Les logiciels que nous allons utiliser pour les modélisations se servent des équations mises en place pour décrire les courants marins. Ces équations, dites primitives, sont obtenues après simplifications grâce aux hypothèses et donnent une description des courants suffisantes pour permettre de les modéliser. Elles permettent d'établir la circulation océanique générale, mais ne prennent pas compte les comportements plus locaux, difficilement prévisibles et modélisables, car ayant un caractère aléatoire.

Différents paramètres agissent sur l'océan et entraînent la formation des courants marins. Il y a deux types de forces influant sur les courants. D'une part, les forces actives, qui sont les forces productrices de courant. Elles comprennent les forces internes à l'océan qui sont dues aux variations de densité provenant des échanges énergétiques à l'interface entre l'eau et l'atmosphère et les forces externes dues aux vents, à la variation de la pression atmosphériques, ...

D'autre part, nous avons les forces passives, qui sont modificatrices du mouvement. Ce sont la force de Coriolis, la force de frottement due aux vents, ...

Tous ces paramètres permettent d'établir les équations primitives de circulation océanique, qui sont composées des équations de Navier-Stokes, de continuité, de conservation de la température et de la salinité ainsi que l'équation d'état de l'eau de mer.

Équations de conservation de la quantité de mouvement 

\[\frac{\delta u }{\delta t } + \mathbf {U} \nabla u = - \frac{1}{\rho_0} \frac{\delta P}{\delta x}+ f v   +A_x \frac{\delta^2 u}{\delta^2 x } + A_y \frac{\delta^2 u}{\delta^2 y } + A_z \frac{\delta^2 u}{\delta^2 z } \]

\[\frac{\delta v }{\delta t } + \mathbf {U} \nabla v= - \frac{1}{\rho_0} \frac{\delta P}{\delta y} - f u   +A_x \frac{\delta^2 v}{\delta^2 x } + A_y \frac{\delta^2 v}{\delta^2 y }+ A_z \frac{\delta^2 v}{\delta^2 z } \]

Dans ces équations, on voit l'influence de la pression, de la force de Coriolis et de la turbulence.
Pour la pression, on peut remarquer que le fluide se déplace de pressions hautes vers les basses pression (gradient négatif).

La force de Coriolis est la force due à la rotation de la Terre. En effet, en tournant, cette dernière entraîne une déviation de la trajectoire initiale. Dans l'hémisphère Nord, cette variation se fait dans le sens anti-trigonométrique.

Équation de continuité 

\[ \nabla \mathbf{U} = \frac{\delta u }{\delta x }+\frac{\delta v }{\delta y }+\frac{\delta w }{\delta z } = 0 \]

Équation hydrostatique 

\[dP = - \rho g dz \]

Équation de conservation de la salinité 

\[ \frac {\delta S}{ \delta t } + \mathbf{U}  \nabla S = K_{S,h} \nabla_h^2 S + K_{S,z} \frac{ \delta^2 S}{\delta z^2} \]

Équation de conservation de la température 

\[\frac{\delta T }{\delta t } + \mathbf{U} \nabla T = K_{T,h} \nabla_h^2 T + K_{T,z} \frac{ \delta^2 T}{\delta z^2} \]

Équation internationale d'état de l'eau de mer (IES80) 

\[ \rho = \rho (T,S,P) \]

Cette équation a été établie en 1980. Elle comporte 11 polynômes auxquels sont associés 41 coefficients numériques.

 

Les variables utilisées 

- $\mathbf {U} $: vitesse non turbulente du fluide de composantes u, v, w suivant les axes x, y , z. (m.s-1)

- $\mathbf {U'} $ : vitesse turbulente de composantes u', v', w' (m.s-1)

on a les relations suivantes entre la vitesse non turbulente et la vitesse turbulente :

$ \overline{u' u'} = - A_x \frac {\delta u }{\delta x} $          $ \overline{u' v'} = - A_y \frac {\delta u }{\delta y} $          $ \overline{u' w'} = - A_z \frac {\delta u }{\delta z} $

$ \overline{v' u'} = - A_x \frac {\delta v }{\delta x} $           $ \overline{v' v'} = - A_y \frac {\delta v }{\delta y} $          $ \overline{v' w'} = - A_z \frac {\delta u }{\delta z} $

$ \overline{w' u'} = - A_x \frac {\delta w }{\delta x} $          $ \overline{w' v'}= - A_y \frac {\delta w }{\delta y} $          $ \overline{w' w'} = - A_z \frac {\delta w }{\delta z} $

- $ \mathbf {A} $ : coefficient de viscosité turbulente ou d'Austaucht (m².s-1) de composantes Ax, Ay, Az.

- t : temps (s)

- $\rho_0 $ : masse volumique ( kg.m-3)

- P : pression (Pa)

- $f = 2 \Omega sin \theta $ : paramètre de Coriolis avec $\Omega$ le vecteur rotation de la Terre et $\theta $ la latitude.

- S : salinité (g.kg-1)

- T : température (K)

- $ \mathbf {K_S} $ : diffusivité cinématique (m².s-1) du sel de composantes KS,x, KS,y, KS,z. On a KS,x = KS,y = KS,h.

- $ \mathbf {K_T} $ : diffusivité cinématique (m².s-1) du sel de composantes KT,x, KT,y, KT,z. On a KT,x = KT,y = KT,h.

Les conditions limites

Conditions limites en surface

Aux équations primaires,  s'ajoutent les apports des éléments extérieurs en surface : le vent, le climat...influent également sur les courants. En effet, à la surface de l'océan, il y a des échanges permanents entre l'eau et l'atmosphère. Ces échanges sont de plusieurs types :

  • Échanges de moment, par les frottements dus à la différence de vitesse entre le vent et les courants en surface.
  • Échanges de chaleur, dus à la convection du vent et à la propre émission thermique de l'océan.
  • Échanges de masse, par la pluie et l'évaporation.

Ces influences sont en partie prises en compte grâce aux conditions limites en surface.

A la surface, la hauteur d'eau n'est pas constante, on définie $\eta$ tel que à la surface $ z= \eta(x,y,t) $.

Jusqu'à une certaine profondeur, les vents vont avoir une influence sur les courants. on va alors avoir ce qu'on appelle les transports d'Ekman. Expliquons rapidement le principe de ces transports : à la surface, les vents entraînent le fluide dans leur direction, cependant cette influence diminue rapidement avec la profondeur et  une autre force intervient, la force de Coriolis. Elle entraîne une déviation de la trajectoire des courants. Dans la couche limite ou les vents influencent les courants, ces derniers se retrouvent donc déviés par rapport à la direction du vent d'en moyenne 45°.

source : oceanmotion.org

L'influence du vent sur la surface de l'océan est décrit par les équations suivantes :

\[ A_z \frac{\delta u}{\delta z}=\ \frac{\tau_{s,x}}{\rho_0} \]

\[ A_z \frac {\delta v}{\delta z }=\ \frac{\tau_{s,y}}{\rho_0} \]

et \[ \frac {\delta \eta}{ \delta z} =w \]

avec $ \mathbf {\tau_s} = ( \tau_{s,x},\tau_{s,y})  $ la tension de suface en Pa. on a $ \mathbf {\tau_s} = \rho_{air} C_v || \mathbf V_{vent} || \mathbf V_{vent} $ avec :

  • $\rho_{air}$ la masse volumique de l'air
  • Cv le coefficient de trainée
  • $ \mathbf V_{vent} $ le vitesse du vent à 10 mètres d'altitude.

L'équation de conservation de la quantité de mouvement s'écrira alors en régime stationnaire:

\[ 0 = - \frac{1}{\rho_0} \frac{\delta P}{\delta x}+ f v  + \frac{1}{\rho}_0 \frac{\delta \tau_{s,x}}{\delta z} \]

\[ 0 = - \frac{1}{\rho_0} \frac{\delta P}{\delta y}- f u  + \frac{1}{\rho_0} \frac{\delta  \tau_{s,y}}{\delta z} \]

En résolvant ces équations, on obtient une formulation de la vitesse en surface, qui nous permet de définir l'épaisseur d'Ekman telle que : \[ D_E= \sqrt{ \frac {2 A_z}{f}}\]

Au dela de $\pi$ fois cette épaisseur, on considère que les vents n'ont plus d'influence sur les courants.

Pour la température 

\[ K_{T,z} \frac {\delta T}{\delta z}|_{z=\eta} = \frac {Q}{\rho_0 C_p}\]  avec Q le flux de chaleur de l'océan vers l'atmosphère en W.m-2 et Cp la capacité calorifique en J.kg-1.

Pour la salinité 

\[ K_{S,z} \frac {\delta S}{\delta z}|_{z=\eta}= \frac { S(E-P)}{\rho_0}\]

avec E l'évaporation et P la pluie.

 

Conditions limites en profondeur

Considérons une profondeur h. Au fond, z=-h. Ici, les conditions limites vont être dues aux frottements du fluide contre la paroi du fond.

On a les équations suivantes :

\[ A_z \frac {\delta u}{\delta z }= \frac{1}{\rho_0}\tau_{b,x} \]

\[ A_z \frac {\delta v}{\delta z }= \frac{1}{\rho_0}\tau_{b,y} \]

et \[ w= -u \mathbf { \nabla H} \]

 avec la contrainte pariétale en Pa $\mathbf{\tau_{b}} = \rho_0 C_d || \mathbf {V_b}|| \mathbf {V_b} $ avec Cd le coefficient de trainée et Vb la vitesse horizontale proche de la frontière.

Nous pouvons à nouveau obtenir des formulations de la vitesse dans une couche limite.

Pour la température 

\[ K_{T,z} \frac {\delta T}{\delta z}|_{z=-h} = 0 \]

Pour la salinité

\[ K_{S,z} \frac {\delta S}{\delta z}|_{z=-h} = 0 \]

Présentation du logiciel ROMS_AGRIF

Le logiciel

Le logiciel ROMS (Regional Oceanic Modeling System) est un outil de modélisation de circulation océanique. Cet outil a été développé par l'universioté Rutgers et l'université de Californie à Los Angeles ainsi que d'autres contributaires à travers le monde. Au sein de cette étude, nous allons utiliser ROMS_AGRIF, qui n'est autre que la version française du code ROMS, mise au point par l'IRD (Institut de Recherche pour le Développement) et l'INRIA (Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique).

ROMS_AGRIF se base sur les équations que nous avons établi précédemment, en ajoutant l'hypothèse de turbulence isotrope horizontale soit Ax = Ay =Ah avec Ax le coefficient de viscosité turbulente suivant l'axe x et Ay le coefficient de viscosité turbulente suivant l'axe y.

Les équations de conservation de la quantité de mouvement deviennent donc :

\[\frac{\delta u }{\delta t } + \mathbf {U} \nabla u = - \frac{1}{\rho_0} \frac{\delta P}{\delta x}+ f u   +A_h \nabla_h^2 u + A_z \frac{\delta^2 u}{\delta^2 z } \]

\[\frac{\delta v }{\delta t } + \mathbf {U} \nabla v= - \frac{1}{\rho_0} \frac{\delta P}{\delta y} + f v  +A_h \nabla_h^2 v + A_z \frac{\delta^2 v}{\delta^2 z } \]

Le logiciel utilise les autres équations telles que nous les avons décrites précédemment.

Il prend également en compte les forçages en surface suivant :

  • Bilan de sel qui est équivalent à la soustraction évaporation - précipitation à laquelle on ajoute l'apport d'eau douce par le biais des fleuve.
  • Radiation solaire.
  • Tension du vent en surface.​

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Le maillage​​

Le modèle utilise la méthode des volumes finis pour résoudre les équations. Le maillage horizontal est basé sur une grille décalée d'Arawaka C, ou les flux sont décalés par rapport aux centres.

Le maillage vertical est fait de telle sorte que l'on ai toujours le même nombre de maille quelque soit la profondeur de l'océan. C'est une grille dont les niveaux suivent la topographie,la taille des mailles varient donc suivant la bathymétrie.

Source : Grids in Numerical Weather and Climate Models (intechopen.com/books/climate-change-and-regional-local-responses/grids-in-numerical-weather-and-climate-models)

 

 

Modélisation

Notre étude se fera au niveau du gyre Atlantique Nord. Nous avons donc choisi la zone d'étude de coordonnées : E = -85° , W =+11°; N= +50°,  S= +10°, afin d'avoir des modélisations du gyre entier.

Zone d'étude et sa bathymétrie

Procédure

Pour obtenir une modélisation des courants avec ROMS_AGRIF, nous devons suivre une procédure que nous allons résumer ici.

La première partie de la procédure se fait sous Matlab. Il faut tout d'abord régler les paramètres correspondant à notre zone d'étude et à la modélisation que l'on désire : les coordonnées de la zone, le maillage, le temps de modélisation, les forçages, les frontières, ainsi que les conditions initiales et limites. Nous pouvons indiquer la valeur de tous ces paramètres dans le fichier romstools_param.

Nous créons ensuite le maillage (make_grid) puis faisons intervenir les équations primaires et les forçages (make_forcing, make_clim).

Il nous faut ensuite compiler puis exécuter le programme.

Enfin, on peut visualiser les résultats à l'aide du logiciel roms_gui (sous Matlab).

 

Critère de stabilité

Avant de compiler, on va vérifier si le critère de stabilité CFL (courant Friedrichs-Lewy) est bien respecté. Ce dernier est défini ainsi :

\[ CFL =  C \Delta t_{externe} \sqrt{\frac{1}{dx^2}+\frac{1}{dy^2}} \]

Il doit être inférieur à 1 pour respecter la stabilité, ce qui nous donne :

\[ \Delta t_{externe} \leqslant \frac{1}{C} [ \frac {1}{ dx ^2} + \frac{1}{dy^2} ]^{\frac{-1}{2} } \]

avec $ C = \sqrt{g h_{max} }$ la vitesse des ondes de gravité en m.s-1 (g la gravité et $ h_{max} $ la profondeur maximum), dx et dy les pas suivant l'axe x et y en m.

Pour le pas de temps interne :

\[ 30 \leqslant \frac{\Delta t_{interne}}{\Delta t_{externe}} \leqslant 80 \]

 

Maillage

Pour nos modélisations nous avons choisi une résolution de 2/3 afin d'avoir un maillage assez fin tout en gardant des temps de calcul raisonnables.

 Nous choisissons également un nombre de mailles verticales : N=20.

Avec ces paramètres, nous obtenons un maillage avec L= 143 mailles suivant l'axe x et M= 71 mailles suivant l'axe y. Ce qui nous fait un total d'environ 2*105 mailles.

En prenant CFL=1, on a $\Delta t_{externe} = 80 s $.

On prend $\frac{\Delta t_{interne}}{\Delta t_{externe}} = 60 $, donc $ \Delta t_{interne} = 4800s$.

 

Temps de modélisation

Nous choisissons d'effectuer d'abord d'effectuer une modélisation sur un an.

Cependant, au centre  du gyre, il faut entre 4 et 6 ans pour faire un tour complet. D'autre part, il faut quelques années au logiciel pour se stabiliser. Pour une bonne représentation du trajet des plastiques, nous allons donc réaliser une modélisation plus longue, sur 10 ans.

Résultats

A la fin de la modélisation, nous obtenons des résultats sur de nombreuses variables. Nous nous intéresserons d'abord aux paramètres de l'océan qui influencent les courants, c'est-à-dire :

  • La salinité
  • La température de l'eau
  • La masse volumique.

En deuxième partie, nous analyserons les résultats obtenues pour les vecteurs vitesse.

Première modélisation : 1 an

Nous allons d'abord étudier les différents paramètres qui influent sur les équations des courants. Pour cela nous avons décidé de prendre leurs modélisations à deux périodes bien différentes de l'année : en hiver (décembre) et en été (juillet). 
 

La salinité

  

Image 1 : Salinité des mois de julllet (à gauche) et de décembre (à droite) en g de sel par kg de liquide

Nous pouvons observer que la salinité est plus forte au centre du gyre. Le long des grands courants (Gulf Stream) elle est plus basse. En effet, comme le la gyre est subtropicale, la température de l'air est plus élevée, ce qui entraîne une forte évaporation et donc une augmentation de la salinité.

 

Température de l'eau

Image 2 : Température à la surface de l'eau pour les mois de juillet (à gauche) et de décembre (à droite) en degré

​Plus on se dirige vers le sud, plus la température est élevée, ce qui est logique vu qu'on se rapproche de l'équateur. De plus, la température est plus élevée en été qu'en hiver . On peut également apercevoir les courants : au niveau du Gulf Stream, courant chaud, par exemple, la température est plus élevée.

 

La masse volumique

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​Image 4 : masse volumique de l'eau en kg/m​3 en juillet (à gauche) et en décembre (à droite).

La masse volumique dépend de la température de l'eau, de sa pression et de sa salinité. Lorsque la température augmente, la masse volumique diminue. Au sud de la carte, donc proche de l'Equateur, la masse volumique est plus faible que plus au Nord. C'est également le cas le long des côtes américaines, révélant bien la présence du Gulf Stream, courant chaud.

 

A présent, nous allons nous intéresser aux vecteurs vitesses.

Image 5 : Vitesse des courants suivant l'axe horizontale x en  juillet (à gauche) et en décembre (à droite).

Cette modélisation nous permet de visualiser les courants qui constituent le gyre Atlantique Nord. Tout d'abord, à l'Ouest de la carte, nous observons un courant fort passant par la pointe de la Floride et remontant le long des côtes américaines avant de se diriger vers le Nord-Est et donc vers l'Europe. Il s'agit du Gulf Stream. Ensuite, au Sud, se dessine un courant qui traverse l'océan Atlantique d'Est en Ouest. C'est le courant Nord Équatorial.

Cependant, les deux autres courants du gyre, à savoir le courant des Canaries et la dérive Nord Atlantique, sont moins bien représentés. Le courant des Canaries longe les côtes marocaines du Nord vers le Sud. Sur la carte, on voit que les vecteurs vitesse vont dans cette direction mais ils ne sont pas aussi marqués que pour le Gulf Stream par exemple. Cela est en partie dû au fait que le courant des Canaries est moins fort. En ce qui concerne la dérive Atlantique Nord, prolongement du Gulf Stream, elle est également peu visible car d'une part la zone d'étude choisie ne permet de la visualiser entièrement et d'autre part pour les mêmes raisons que le courant des Canaries.

Nous obtenons dans l'ensemble une bonne visualisation qualitative des courants du gyre, qui va nous permettre par la suite d'expliquer les trajectoires des déchets plastiques.

Néanmoins, cette modélisation a été faite sur un an, temps insuffisant pour la stabiliser. Nous ne pouvons donc pas être surs de l'exactitude des informations qu'elle nous fournit. Nous allons donc réaliser une modélisation plus longue, sur 10 ans, afin de stabiliser le modèle.

Seconde modélisation : 10 ans

En ce qui concerne la salinité, la température et la masse volumique de l'eau, nous observons que les tendances sont identiques chaque année. Au bout de 10 ans, lorsque nous avons un modèle stable, les résultats concernant ces paramètres sont pratiquement identiques à ceux de la première année. Nos interprétations précédantes restent donc valables, ce qui était déjà prédictibles, lorsque l'on compare avec les données réelles observées.

Intéressons nous maintenant aux courants.

Modélisation sur 10 ans

Nous observons toujours les courants décrits précédemment, cependant en 10 ans il y a une nette évolution du modèle. Sur la vidéo, il semble se stabiliser vers la cinquième année. Comparons maintenant la première et la dernière année de la modélisation. 

Modélisation des mois de juillet pour l'année 1 (à gauche) et l'année 10 (à droite)

Tout d'abord, nous remarquons que les vitesses modélisées lors de la première année sont plus importantes que la dernière année mais l'on observe tout de même que les tendances sont identiques. Les grands courants sont les mêmes. La stabilisation du modèle joue donc un rôle essentiellement sur la valeur des champs de vitesse et le modèle nous fournit donc dès la première année une représentation qualitative tout à fait correcte. 

Toutefois, pour obtenir une meilleure modélisation, il faudrait augmenter la précision des calculs (maillage plus fin, raffinage du maillage aux niveaux des courants principaux, ...)

De plus, cette représentation n'est que qualitative. Elle nous donne uniquement une idée des tendances des courants océaniques. 

L'altération des déchets plastiques dans l'océan

Les principaux types de plastiques que l'on retrouve sont le polypropylène (PP) et le polyéthylène (PE).

​Le polypropylène

Le polypropylène est un thermoplastique très utilisé, notamment pour la construction automobile, les emballages, les tissus comme les vêtements professionnels par exemples, ...

Le polyéthylène

Le polyéthylène est également un thermoplastique. Il est principalement utilisé pour les emballages, mais aussi pour les flacons, boîtes, jerricanes, tuyaux, ...ainsi que dans les équipements sportifs.

 

En milieu marin, on retrouve deux types de dégradations, la biodégradation et la photodégradation. A ces deux phénomènes s'ajoute celui de l'agglomération de biomasse : des micro-organisme viennent s'accrocher aux particules de plastiques. Il est important de prendre en compte ces phénomènes dans notre étude. En effet, ils entraînent des modifications des caractéristiques des déchets plastiques se trouvant dans l'océan, notamment sur leur taille et leur masse volumique. Or ces caractéristiques sont importantes lors de la modélisation du trajet des plastiques puisqu'elles vont influer sur la vitesse des particules et leur position (en surface ou plus en profondeur).

 

La biodégradation

La biodégradation est la conversion d'un élément organique en CO2, CH4, H2O et en biomasse sous l'effets des micro-organismes. Les plastiques sont très peu biodégradables. Ils peuvent mettre de 100 à plus de 1000 ans à se dégrader, suivant le type de plastique. En milieu anaérobie, ce qui est le cas dans les océans, la biodégradation est encore plus lente. 

 

La photodégradation

​La photodégradation est la dégradation d'une molécule sous l'action de photons, ici ceux du Soleil. L'absorption du rayonnement consititue la première étape de toute photodégradation. Ces photons vont permettrent à une molécule donnée de passer d'un état fondamental à un état excité. Cette absoption peut conduire à une photolyse, c'est à dire à des ruptures de liaison chimique et à la formation de radicaux libres tel que OH. .

Dans le cas du polypropylène, sous l'action de rayonnement UV, il peut se former des groupes hydroperoxydes sur les carbones tertiaires. Ces groupements sont, ensuite susceptible, d'évoluer en cétones:

 

Ces séquences cétoniques peut se décomposer selon le processus suivant, conduisant à la formation d'acétone:

 

L'agglomération de biomasse

Lors de leur trajet dans l'océan, des micro-organismes comme le plancton vont s'agglutiner sur les particules de plastiques, modifiant ainsi leur densité et leur masse. Si l'on s'en réfère au BEI Energétique et Procédé 2012-2013 sur le Traitement de la Plaque de déchets du Pacifique Nord, l'agglomération de biomasse conduirait à une augmentation de la masse des débris plastiques d'environ 7%. 

 

 

Suivi des déchets plastiques

Le trajet des déchets plastiques de leur arrivée dans l'océan jusqu'au gyre dépend de la circulation océanique générale, mais aussi d'autres paramètres plus aléatoires comme le vent ou les vagues.

Il y a trois forces principales influant sur le déplacement d'une particule dans l'océan:

  • le transport par les courants océaniques, c'est-à-dire l'influence de la circulation océanique et des paramètres aléatoires : en surface, il n'y a pas que les courants décrits par les équations primitives mais aussi mouvements plus locaux comme la houle, les marées, ...
  • la flottabilité : la plupart des plastiques ont une densité légerement inférieure à celle de l'eau. Elle est en effet comprise entre 0.9 et 1 pour la majorité d'entre eux, ils restent donc à la surface.
  • la diffusion : nous considérons ici que les plastiques, à cause de la dégradation, vont se diffuser. Ils vont rapidement se retrouver sous la forme de particules, qui partiront chacune dans des directions différents. On supposera la diffusion isotrope et turbulente.

 

Le transport par les courants océaniques 

Les plastiques se trouvent en surfaces (jusqu'à environ 30 mètres de profondeur). Différents paramètres vont influencer leurs déplacements. Tout d'abord, les courants décrits par les équations primitives vont entraîner les particules. Comme elles se trouvent proche de la surface, nous sommes dans la couche d'Ekman, couche limite pour ces équations.

D'autres phénomènes vont également entrer en jeu. Les vagues, mouvements locaux de surface, entraînent ce qu'on appelle la dérive de Stokes. Les déchets plastiques vont avancer en spirale, comme nous pouvons le voir sur le schéma ci-dessous. 

 

Source : emse.fr

De plus, une fois arrivée au niveau du gyre, les particules sont soumises aux courants géostrophiques. Au centre du gyre, l'eau se stabilise car la force de Coriolis et le gradient de pression horizontale se compense. Pour cela, on néglige ici les frottements, la tension du vent et on considère le mouvement permanent. 

On obtient alors les équations suivants :

\[ fv=\frac{1}{\rho_0}\frac{\delta P}{\delta x}\] \[ fu=-\frac{1}{\rho_0}\frac{\delta P}{\delta y}\]

Ce sont les équations de l'équilibre géostrophique. Le mouvement qui en découle est une spirale autour du centre du gyre : l'eau va être amenées au centre puis entraînée au fond de l'océan. Ce phénomène de downwelling engendre une élévation du niveau de l'eau pouvant aller jusqu'à 3 ou 4 mètres au centre du gyre. De part ce phénomène, les déchets se regroupent au centre du gyre.

 

La flotabilité

L'eau, une fois arrivée au centre du gyre, est envoyée au fond de l'océan. Cependant, les déchets plastiques, eux, s'accumulent à la surface. Cela s'explique par le fait que les plastiques sont moins denses que l'eau. Pour rester en surface, il faut néanmoins que le diamètre des particules soit supérieur à une certaine valeur (de l'ordre de 10-5 m). Concrètement, les gros déchets vont rester en surface, les plus petits se trouveront à plusieurs mètres de profondeur (jusqu'à 30 mètres) et les microparticules ( d'un diamètre inférieur à 5*10-5) vont repartir avec le fluide. Ces particules là ne pourront donc pas être récupérées au niveau du gyre et resteront dans l'océan jusqu'à leur dégradation complète.

Particule solide dans un fluide : \[m_p \frac{d \mathbf {U_p}}{dt} = m_p \mathbf{g} + \sum \mathbf{F_{fluide->particule}}\]

Apres simplification on obtient (au niveau du gyre, la vitesse des particules peut être considérée comme nulle) : \[0 = (-\rho_p+ \rho_0)  g \frac{3}{4} \pi R_p^3+ C_D \pi R_p^2 \frac {||\mathbf U^2||}{2} + \mathbf{F_{hist}}\]

Avec : 

Up la vitesse des particules, de composantes (up,vp,wp)

- $\rho_p $ la masse volumique de la particule

- Rp le rayon de la particule

- CD le coefficient de traînée

- U la vitesse du fluide.

Cette équation permet d'avoir un ordre de grandeur du diamètre à partir duquel les particules de plastiques restent en surface.

 

La diffusion 

Pour représenter le déplacement des particules, on peut utiliser l'équation d'advection-diffusion suivante :

\[ \frac{\delta C}{\delta t } + u \frac{\delta C}{\delta x } + v \frac{\delta C}{\delta y } + (w+w_p) \frac{\delta C}{\delta z } = \frac{\delta }{\delta x } (K_x \frac{\delta C}{\delta x } ) +\frac{\delta }{\delta y} (K_y \frac{\delta C}{\delta y } )+ \frac{\delta }{\delta z } (K_z \frac{\delta C}{\delta z } ) \]

avec :

  • C la concentration en particules par m3
  •  la vitesse du fluide, de composantes (u,v,w)
  •  wp la vitesse des particules suivant l'axe vertical
  • le coefficient de diffusivité des particules, de composantes (Kx, Ky, Kz).

A première vue, cette équation ne prend pas en compte la turbulence, c'est-à-dire le côté aléatoire du déplacement des particules. Il y a différentes manières d'inclure la turbulence. La première façon consiste à simplement introduire, lors de modélisations, une variable aléatoire soit dans la vitesse des particules, soit dans le coefficient de diffusion. 

La vitesse des particules est définie ainsi :

\[ \mathbf U_{p,tot} = \mathbf U_{p} + \mathbf U_{p,t} \]

avec Up la vitesse non turbulente et Up,t la vitesse turbulente. Pour prendre en compte la turbulence et son côté aléatoire, on peut par exemple définir Up,t telle que :

\[ u_{p,t} = v_{p,t} = w_{p,t} = \frac{A_l \sqrt{2K \delta t }}{\delta t}\] avec Aune variable aléatoire obtenue en utilisant une distribution normale centrée de moyenne 0 et de variance 1.

Posons $D= \sqrt{2K \delta t}$ la distance maximale parcourue par une particule pendant la durée $\delta t$ . On peut donc également inclure la variable aléatoire directement dans le coefficient de diffusion : \[ K_s = A_l \frac{D^2}{\delta t} \]

Cependant, ces modèles ne prennent pas en compte le fait que la turbulence est lié à la dynamique du milieu. Il existe des modèles plus élaboré, qui inclue les paramètres extérieurs lors de la représentation de la turbulence.

 

En couplant ces trois phénomènes, on peut en conclure que les plastiques vont arrivant des fleuves, des plages ou encore des bateaux vont être amenés au centre du gyre subtropical Atlantique, qui correspond géométriquement au foyer gauche de l'ellipse, où ils vont s'accumuler, sur plusieurs dizaines de mètres de profondeur. On note que les deux courants les plus important du gyre (Gulf Stream et Courant Nord Equatorial) passe par cette zone, expliquant ainsi le fait que les déchets s'accumulent sur ce foyer, et non sur l'autre.

Conclusion

Dans cet axe, nous avons présenté une modélisation des courants océaniques de l'Atlantique Nord sous le logiciel ROMS_AGRIF. Nous avons représenté ces courants sur une période de 1 an et une période de 10 ans. Nous avons pu grâce à cela fournir un descriptif qualitatif de la physique des courants océaniques, nous permettant ainsi de comprendre la manière dont les déchets plastiques se retrouvaient concentrés au centre du gyre.

Compte-tenu du matériel à notre disposition, il nous parait important de préciser que nos modélisations pourraient être améliorées, d'une part en raffinant le maillage au niveau des courants océaniques constituants le gyre, d'autre part en augmentant le nombre de maille.

De plus, il serait également préférable de réaliser la modélisation de notre zone d'étude à l'aide d'autre code de calcul de courants océaniques, de manière à pouvoir confirmer ou infirmer les hypothèses inhérentes à l'utilisation de ROMS.

Enfin, notre étude pourrait être complétée par une modélisation du trajet des déchets plastiques à l'aide logiel, comme le code ARIANE ou le code TRACKMASS par exemple.

Etude économique de l'extraction et de la valorisation des plastiques de l'océan

Etude économique de l'extraction

Contexte

Cette étude économique de l'extraction des plastiques de l'océan se base en partie sur le projet, encore à l'étude, intitulé Ocean Cleanup Array, qui repose sur l'utilisation de barrages flottants.

L'extraction par cette méthode concerne uniquement les plastiques se trouvant en surface, qui peuvent être aussi bien des éléments de grande taille que des micro-particules. Ce sont des plastiques mélangés et probablement contaminés en polluants organiques persistants, tels que les PCBs ou encore les hydrocarbures.

L'intérêt de ce projet est qu'il utilise la force des courants marins pour apporter les plastiques vers les 24 barrages (qui est encore un nombre à fixer par l'équipe du projet, mais que nous retiendrons dans notre cas), ce qui permet de concentrer cette "soupe de plastiques" en des points plus localisés, réduisant ainsi le nombre d'allers-retours en bateau par rapport à une extraction pour laquelle la zone entière d'accumulation des déchets devrait être parcourue .

On considèrera que le projet a une durée de 5 ans, qui est selon l'équipe du projet Ocean Cleanup Array le temps moyen nécessaire au gyre Atlantique Nord pour faire un tour complet.

Ces barrages, qui devront être fixés pour ne pas dériver avec les courants, permettraient de concentrer les quelques 10 000 tonnes de plastique en surface estimées dans le gyre en question.

Pour simplifier l'étude, on suppose qu'il n'y a aucun nouvel apport de plastique dans le gyre au cours des 5 années prévues pour le projet d'extraction.

Estimation du coût de la matière première des barrages

Pour estimer le coût matériel des barrages, il faut avant tout imaginer de façon précise leur fonctionnement. Celui-ci n'est pas encore très bien détaillé dans le projet Ocean Cleanup Array, qui n'en n'est qu'à sa phase d'étude de faisabilité technique et économique. Nous commencerons par expliquer ce qui ressort du projet, puis ajouterons nos hypothèses de fonctionnement.

         

Prototype de barrage flottant (Source : http://www.boyanslat.com/plastic/)

D'après l'image ci-dessus, un barrage est constitué d'une structure flottante en forme de raie manta, comportant un grand bac de collecte à l'arrière. Les deux bras périphériques permettent de guider les plastiques et l'eau vers le coeur de la structure. Cette eau vectrice de plastique sera conduite dans le bac de collecte. On trouve également des panneaux solaires, puisque l'idée est que chaque barrage soit énergétiquement le plus autonome possible.

Nous avons affiné le fonctionnement d'un barrage pour mieux comprendre comment les plastiques et l'eau pouvaient être séparés, et comment les plastiques étaient conduits vers le bac de collecte.

Les plastiques et l'eau arriveraient au niveau d'une vis sans fin,  qui les conduirait vers le bac de collecte. Cette vis sans fin pourrait par exemple être alimentée par les panneaux solaires la journée, et par un système de collecte d'énergie utilisant les vagues la nuit. Nous avons imaginé le bac de collecte ainsi: 

-une bâche au dessus, qui évite que les particules légères s'envolent à cause du vent et que les oiseaux viennent se nourrir du plastique,

-quatre parois verticales,

-un fond qui laisse passer l'eau pour la séparer des plastiques. Le bac de réception serait supporté par une armature en barres en inox creuses pour limiter le poids. Cette armature est recouverte d'une grille en inox percée, elle-même recouverte d'un filtre de maille 1mm x 1mm, afin de retenir les petits débris plastiques. Cette limite de taille a été déterminée par l'article "The size, mass, and composition of plastic débris in the western North Atlantic Ocean", dont l'image ci-dessous est tirée. Ainsi, les plastiques seraient retenus et l'eau évacuée.

                          

Taille des particules plastiques dans l'océan Atlantique Nord (Source: «The size, mass, and composition of plastic débris in the western North Atlantic Ocean »)

On peut supposer que ce système sera enclin à un colmatage. Mais les remous se trouvant sous le bac pourraient peut-être permettre un rétro-lavage.

Les barrages seront placés au niveau du gyre, à contre-courant, afin de réceptionner le plus de particules et d'agir comme des filtres. Ils se trouveront dans une zone peu fréquentée par les bateaux. Néanmoins, pour plus de sécurité, on installera un système radar et des lumières afin de rendre ces barrages détectables la nuit et d'éviter tout accident.

Pour estimer le prix des matières premières pour un barrage, nous avons assimilé la structure et le bac à une coque de piscine, les "bras" à des bouées utilisées lors de marées noires, et cherché les coûts de vis sans fin, barres inox, grilles inox, et tout autre élément que nous destinons à se trouver dans le barrage comme indiqué précédemment. Cela nous conduit à un coût de 69 747 euros, ce qui correspond à 1 757 627,93 euros TTC de matériel pour 24 arrays.

Il faut également prendre en compte le coût de main d'oeuvre, le coût d'ancrage ainsi que le coût d'achat d'un hangar de grande dimension pour l'assemblage. Notons que nous n'allons produire que 24 machines, ce qui réduit la rentabilité de la chaîne de production. De plus, nous choisissons d'ajouter une marge d'incertitude à ce calcul.

Tableau récapitulatif des coûts de matière première des barrages flottants

Le coût de main d'oeuvre a été estimé en considérant un assemblage en Virginie, par des salariés gagnant plus que le salaire minimum dans ce pays. En effet, il est souhaitable d'avoir des travailleurs qualifiés pour assurer l'assemblage correct de ces machines. Nous fixons le salaire brut à 14.4 euros par heure, et considérons qu'une durée de 20 000 heures par machine est nécessaire. Quant au coût d'ancrage, qui devra être réalisé à environ 4000 mètres de profondeur, soit la profondeur du fond océanique, l'estimation porte sur un projet réalisé par des étudiants de l'Ensiacet. intitulé "Maritherm". La valeur de 2 millions d'euros par ancrage est donc retenue. Nous considérons que le même prix s'appliquera au désancrage.  

Installation et désinstallation des machines

​​

Localisation des gyres océaniques et zones de concentration des déchets (Source : encar-alkaken.blogspot.fr)

Par comparaison de cartes représentant le gyre Atlantique Nord (cf ci-dessus) et Google Earth, nous avons estimé que le centre du gyre avait les coordonnées géographiques suivantes: 28 degrés Nord et 59 degrés Ouest.Grâce au logiciel Google Earth, nous avons estimé la distance la plus courte en bateau du centre du gyre (qui sera notre point fictif de placement des barrages pour calculer les coûts de transport). Cela nous conduit en Virginie, à environ 1860 km de distance.

Un bateau de type remorqueur est choisi. Il s'agit d'un bateau très puissant qui peut tracter des poids très importants, comme en témoigne la photo ci-dessous. On considère pour limiter le coût de transport et donc le nombre d’aller-retour qu’un tel bateau peut tracter d’un coup les 24 arrays. Un bateau remorqueur a en moyenne une consommation de 321 l/h et une vitesse de 18.5 km par heure. Connaissant le coût du carburant et la distance à parcourir pour disposer les arrays au niveau du centre du  gyre, le coût en carburant est estimé à 42 138 euros pour un aller-retour, soit le double pour installer puis désinstaller les arrays.

 

Bateau remorqueur tractant un bateau (Source: http://gcaptain.com/emma-maersk-engine/)

Transport des plastiques

Avec les dimensions que nous avons choisies pour le bac de collecte (4m*3,5m*3,5m), les bacs ont chacun une capacité de stockage de 50 m3, ce qui représente une masse de 45 tonnes (en effet, les principaux plastiques extraits sont des plastiques tels que le polyéthylène et polypropylène, qui ont des masses volumiques proches de 0.9 g/cm3). Cela suppose bien sûr un remplissage régulier et identique pour chacun des arrays.

Il y aurait 10 000 tonnes de plastique flottant à récupérer. Le projet d'extraction ayant une durée de 5 ans, et ayant 24 bacs de 50 m3 disponibles, on estime la quantité de plastique extractible à au maximum 1000 tonnes tous les 6 mois (en realité, cela sera un peu moins car nous avons surestimé la valeur de base de 9064 tonnes). Cela permettra d'avoir le premier retour financier assez rapidement.

Nous avons sélectionné le bateau représenté dans l'image ci-dessous, qui dispose d'après ses caractéristiques techniques du volume nécessaire au transport des 1000 tonnes de plastique extraites tous les 6 mois.

                                       

Bateau choisi pour le transport des plastiques (Source: http://www.rushcorp.com/UsedBoats/BoatDetails/BoatDetails.php?show=260115)

Connaissant les caractéristiques du bateau retenu, nous avons estimé le coût de sa consommation en carburant par kilomètre pour 1000 tonnes transportées à 5,5 euros. Le cargo ne sera pas acheté, mais plutôt loué ponctuellement, puisqu'il ne sera utilisé que 2 fois par an.

Une fois à terre, les plastiques doivent être transportés jusqu'aux différents lieux de valorisation, que nous détaillerons en partie suivante. Pour ce faire, le train a été retenu face au transport en camion, qui coûte plus cher.

Tableau récapitulatif des distances 

Tableau récapitulatif des coûts de transport

 

 

 

 

Etude économique de la valorisation

Présentation des différents débouchés

Mise en décharge

Ce débouché est plutôt une forme de stockage des déchets plastiques, en attendant une valorisation rentable. Il pose problème car il nécessite de la place, et libère des molécules toxiques dans l'environnement. En effet, certains plastiques peuvent contenir des additifs de quelques  jusqu'à plus de 100% en concentration du poids des polymères de base. Par exemple, on peut trouver dans les plastiques des plastifiants comme les phtalates, des colorants ou pigments minéraux constitués d'oxydes métalliques, des solvants, des durcisseurs, ou encore des stabilisants. Ces molécules peuvent avoir des conséquences non négligeables sur l'environnement, comme c'est le cas pour le Bisphénol A, interdit en France depuis 2014, car reconnu perturbateur endocrinien.

Valorisation matière

On peut séparer les plastiques en 2 principales catégories: les thermoplastiques, comme le polyéthylène et le polypropylène, et les thermodurcissables. La première catégorie se prête à la régénération, c'est-à-dire la transformation en granules qui peuvent se substituer aux résines neuves, mais pas la seconde, pour laquelle la transformation est irreversible. 

Le problème de cette forme de valorisation est qu'elle nécessite une matière propre et non mélangée, car les plastiques ont des températures de fusion différentes. Un mélange altérera la qualité du produit obtenu. De plus, cela rend difficile l'estimation de la quantité d'additifs déjà contenue dans la matière si l'on doit l'ajuster.

La valorisation matière est donc une solution peu probable pour les plastiques que nous auront extraits, qui sont principalement des plastiques mélangés, contaminés en polluants organiques persistants, et dont la qualité après une longue exposition au sel aura beaucoup été altérée.

Incinération

Ce débouché permet une réduction importante du volume des déchets, de l'ordre de 80 à 90%. De plus, une valorisation financière est possible, puisque l'on tire de la chaleur de ce procédé. Celle-ci peut être utilisée directement, ou bien convertie en électricité. Une autre alternative est la valorisation par co-génération, qui fournie à la fois de la chaleur et de l'électricité. De plus, on peut ainsi traiter des déchets mélangés ou souillés.

Néanmoins, les usines d'incinération ont souvent une mauvaise image, parce qu'elles sont considérées polluantes. Il faut mettre en place un système de traitement des fumées pour limiter la pollution en dioxines par exemple.

Transformation en carburant

Les plastiques mélangés peuvent subir une pyrolyse, qui permet de les transformer en brut ou en diesel après distillation.

En tenant compte des caractéristiques du plastique que nous allons extraire, deux formes de valorisation des plastiques ont été retenues: l'incinération et la transformation en carburant.

Valorisation par incinération

Une des formes de valorisation possibles pour le plastique extrait est l'incinération. Ce procédé offre l'avantage de ne pas avoir à réaliser de pré-traitement pour nettoyer le plastique. L'énergie produite peut-être valorisée en chaleur, électricité ou co-génération. L'usine d'incinération à Portsmouth, en Virginie, a été selectionnée. Cette usine se trouve à proximité du port de la même ville, ce qui permet de réduire les coûts de transport.

Nous considérons un fonctionnement en consortium, qui correspond au regroupement temporaire d'entreprises par exemple, afin de mener à bien un projet. Ainsi, l'usine n'est pas payée pour traiter le plastique, et n'a pas non plus à l'acheter. Ce partenariat  permettrait par exemple de verdir l'image de l'entreprise, qui bénéficierait de la publicité offerte par un tel projet innovant. De plus, on suppose une sous-traitance pour ne pas avoir à prendre en compte les coûts de construction de l'usine.

Brûler 1 tonne de déchets (plastiques et autres) permet de produire 3 333,33 kWh. Les rendements en chaleur et électricité ont été calculés, et seraient respectivement de 52% et 12%. Sachant que les plastiques représentent en moyenne 7% en masse des déchets incinérés, nous finissons par obtenir les recettes pour chaque forme de valorisation. Chaque année 2 1000 tonnes de plastique sont incinérées par l'usine. Chaque tonne de plastique peut nous rapporter 11 667 kWh, soit 245 007 000 kWh par an.

52% de cette énergie, soit 127 403 640 kwh par an, peut être acheminée vers les foyers à proximité de l'usine, tandis que 12%, soit 29 400 840 kWh, peuvent être convertis en électricité. Connaissant le prix revente de chaque énergie produite (0.01 euros pour la chaleur et 0.05 euros pour l'électricité), nous estimons que cela peut rapporter en tout 2 744 078 euros par an.

Le coût de l'incinération est de 90 euros par tonne. On considère que ce coût comprend le séchage des plastiques, nécessaire pour une bonne combustion. Or, les ventes combinées de chaleur ou d'électricité rapportent 130.67 euros par tonne. Un bénéfice de 40.67 euros par tonne est donc envisageable, soit 80 800 euros par an.

Tableaux récapitulatif des bénéfices pour l'incinération 

Valorisation en carburant

Valorisation en diesel

                                                                         

Source: http://www.cynarplc.com/

L'entreprise Cynar plc (logo ci-dessus), dont l'usine est basée à Portlaoise, en Grande Bretagne, a développé un procédé ingénieux qui permet de transformer le plastique habituellement non recyclé en diesel directement utilisable sans modification des moteurs. Ce procédé permet donc de valoriser les sacs plastiques ou films d'emballage par exemple, ce qui permet de ne pas faire concurrence à la filière de recyclage déjà existante pour certains plastiques. Les plastiques mélangés peuvent donc être valorisés par ce procédé. Il s'agit d'une pyrolyse liquide à basse température, suivie d'une étape de distillation. Néanmoins, on suppose que ce procédé, bien qu'acceptant les mélanges de plastiques, nécessite que ceux-ci soient propres, ce qui ne sera pas le cas du plastique extrait. Il faudra certainement ajouter une étape de pré-traitement.

En se basant sur le prix en dollars par gallon, le prix TTC de vente moyen d'un litre de carburant est de 0.77 euros. Un litre de diesel a un coût de production de 0.29 euros. Nous considérons que ce coût inclut également le coût d'un éventuel nettoyage du plastique avant sa transformation en diesel.

Connaissant la capacité de l'usine, qui peut traiter 60 000 tonnes de plastique par an, ainsi que le rendement (selon les estimations, une tonne de plastiques permet de produire entre 900 et 1000 litres de diesel. Nous choisissons donc une moyenne de 950 litres), l'usine peut faire un bénéfice de 27 400 000 euros par an environ.

Ramené à la tonne de plastique, le bénéfice en euros par an est d'environ 456. Nous comparerons cette valeur à celle déterminée pour la transformation en brut.

 

Tableau récapitulatif des coûts, recettes et bénéfices de la valorisation des plastiques en Diesel

Comme pour l'incinération, nous avons considéré un fonctionnement en consortium et sous-traitance.

Valorisation en brut

                                                                 

Source: http://www.agilyx.com/

L'usine Agilyx (logo ci-dessus), basée aux Etats-Unis, en Orégon, a développé un procédé qui permettrait de transformer n'importe quel plastique (mélangé, contaminé) en brut, qu'il faudra donc raffiner avant toute utilisation dans un moteur.

Tout comme pour l'usine Cynar, nous imaginons un fonctionnement en sous-traitance, ce qui nous permet de ne pas prendre en compte le coût de construction d'une usine. De plus, l'usine pourrait également faire partie d'un consortium.

Cette usine a une capacité de 20 tonnes de plastiques par jours, ce qui revient à 7 300 tonnes par an. L'estimation du coût de production par litre a été estimé de la façon suivante: nous avons considéré que les coûts de production pour l'usine qui produit du diesel correspondaient aux coûts de production de l'usine qui produit du brut, auquels on ajoute le coût de raffinage. Connaissant les coûts de production de la première ainsi que le coût de raffinage, nous obtenons que la production d'un litre de brut coûte 0.26 euros, soit 1 780 418 euros par an.

Concernant les recettes, nous avons pu les estimer, connaissant le nombre de barils produits par jour ainsi que le prix de vente d'un baril. Cela permet à l'usine une recette annuelle d'environ 3 218 000 euros, soit un bénéfice de 1 438 030 euros. Ramené à la tonne, cela donne un bénéfice de 440,88 euros.

 

Tableau récapitulatif des recettes, coûts et bénéfices pour la revalorisation des plastiques en Brut          

 

 

 

 

 

 

Comparaison des 3 méthodes

Comparons les 3 solutions de valorisation possibles, par rapport aux critères de bénéfice, coût de transport et coût de stockage, afin de déterminer la solution la plus intéressante.

Bénéfices

Tout d'abord, la valorisation par le biais de Cynar permet dans notre cas un bénéfice par tonne de plastique (recettes - coûts de production) de 456 euros, ce qui est plus élevé que les recettes d'Agilyx ou de l'usine d'incinération.

Tableau comparatif des bénéfices annuels selon la forme de valorisation du plastique

Coûts de stockage

L'usine Cynar a une capacité de traitement de 60 000 tonnes par an, ce qui est largement supérieur aux 7 300 tonnes annuelles traitées par une usine Agilyx. On peut imaginer qu'une usine telle que celle de Cynar écoulera beaucoup plus rapidement le plastique extrait, ce qui représentera un coût de stockage moindre. Nous avons calculé ce coût. En faisant l'hypothèse que l'usine traitera exclusivement notre plastique lorsque nous lui fournirons (ce qui est peu réaliste car l'usine dispose d'autres gisements de matière première, notamment par le biais d'un contrat avec SITA UK), nous avons estimé que l'usine mettrait 6 jours à écouler un stock de 6 mois d'extraction, donc 12 jours pour 2000 tonnes annuelles. Dans le cas de l'hypothèse (également très optimiste) où Cynar utiliserait dans sa matière première chaque jour une proportion de 50% de plastique issus de l'extraction dans l'océan, cela ferait une durée de stockage de 24 jours par an. Afin de réduire les coûts de transport, nous choisissons un entrepôt de stockage situé dans la même ville que l'usine, à Portlaoise. Le stockage représenterait un coût de 340 euros par an si l'usine utilise exclusivement notre plastique, et de 686 euros si l'usine utilise dans sa matière première 50% de plastique issu de notre extraction. En comparaison, le stockage durant les 200 jours nécessaires pour écouler le plastique vers l'usine Agilyx ne coûterait que 593 euros par an, du fait d'un coût inférieur de location de l'entrepôt. De la même façon, le coût de stockage pour l'incinération est de 854 euros par an.

 

Tableau comparatif des coûts annuels de stockage selon la forme de valorisation du plastique

                  

Coûts de transport

Le dernier point concerne les coûts de transport pour apporter les plastiques du centre du gyre, qui est notre point de repère, vers les usines de transformation du plastique en carburant. Il nous faudra donc estimer le coût de transport pour nous rendre en Orégon ou en Irlande. N'ayant pas accès au coût de location d'un bateau et de son équipage, nous considérons que ce prix est moindre face au coût représenté par le carburant. Nous avons estimé les distances grâce à Google Earth et Google Maps pour les transports en bateau et train. Nous avons choisi aux Etats-Unis le port de Portsmouth en Virginie pour l'incinération ainsi que Wilmington pour la valorisation en brut, et en Irlande le port de Galway. D'après le tableau récapitulatif des distances et des coûts associés, il semblerait que les coûts de transport soient moins élevés dans le cas d'un trajet vers l'usine Cynar. Dans le cas du transport en bateau, nous prenons en compte l'aller-retour, alors que pour le train, seulement le trajet aller est considéré.

Tableau comparatif des coûts de transport selon la forme de valorisation du plastique

Suite à ces trois constats, il semblerait que Cynar offre une meilleure alternative économique qu'Agilyx ou l'incinération. Il faut néanmoins vérifier cela grâce à un indicateur de rentabilité.

 

Bilan de rentabilité, critiques techniques du projet et recherche d'une solution alternative

Rentabilité du projet

Critère de choix

La VAN, ou valeur actuelle nette, est un outil qui permet d'estimer la rentabilité économique d'un projet.

Elle se calcule en sommant le produit des flux et des coefficients d'actualisation pour le nombre d'années que dure le projet.

\[ VAN = \sum_{n=1}^N F_n CA_n \]

F= Flux de trésorerie

N= Durée totale du projet en années

CA= Coefficient d'actualisation

Le coefficient d'actualisation permet de ramener à sa valeur actuelle la valeur d'un flux à venir dans le futur. En effet, un euro au temps t n'a pas la même valeur qu'un euro à t+1 par exemple.

La VAN peut être positive, nulle ou bien négative. Lorsqu'elle est nulle, cela signifie que le projet est à peine rentable. Il le sera d'autant plus que la VAN sera positive. En revanche, une VAN négative entraîne le refus du projet, car cela signifie que l'investissement n'est pas rentable.

Nous allons présenter pour chaque scénario de valorisation le tableau récapitulatif des flux et coefficients d'actualisation permettant le calcul de la VAN des 3 projets (extraction puis valorisation 100% diesel, 100% brut ou 100% incinération). Voici tout d'abord le détail de ce que contient chaque colonne des tableaux:

Dépenses

La colonne "Dépenses" du tableau présenté plus bas prend en compte les éléments suivants:

- Matériel,

- Main d'oeuvre,

- Hangar pour l'assemblage des machines,

- Étude de faisabilité,

- Ancrage/désancrage,

- Transport pour l'installation et la désinstallation des machines,

- Transport pour conduire les plastiques vers les usines de revalorisation,

- Maintenance (arbitrairement estimée à 10% du prix du matériel pour les 24 machines)

Recettes

Les recettes correspondent aux bénéfices des trois formes de valorisation considérées.

Flux annuels de trésorerie

Le calcul "Recettes - Dépenses" permet de déterminer les flux annuels de trésorerie.

Coefficient d'actualisation

Nous estimons que plus les années passent, moins le projet est certain, d'où une diminution de la valeur du coefficient d'actualisation. Une fois installées, les machines vont être soumises à des conditions climatiques très défavorables, et les risques de casse sont très importants. De plus, les bénéfices espérés dépendent très largement de l'estimation de la quantité de plastique réellement extractible, qui est une donnée actuellement peu certaine.

Comparaison des VAN des trois projets

La première année est dédiée à la construction et à la mise en place des machines. La récolte de plastique ne commencera qu'à partir de l'année 2. L'année 7 correspond à la désinstallation des machines.

Voici les calculs de VAN pour les 3 formes de valorisation du plastique.

 

Données et calcul de la valeur actuelle nette pour le projet de valorisation du plastique en Diesel

 

Données et calcul de la valeur actuelle nette pour le projet de valorisation du plastique en Brut

 

Données et calcul de la valeur actuelle nette pour le projet de valorisation du plastique par incinération

Discussion

 

D'après les résultats exposés dans les trois tableaux, il apparaît clairement qu'aucun des projets n'est rentable, puisque les trois VAN sont très négatives. Les coûts que nous aurions oubliés ne feraient que conforter ce résultat. La transformation en diesel semble être la solution la moins pire, suivie de la transformation en brut puis de l'incinération.

 

 

 

 

Critiques

 

Bien que très séduisant au premier abord, parce que permettant de concentrer les plastiques en des points localisés, et n'utilisant pas de filet, ce qui limite l'impact sur la vie aquatique, ce projet est relativement contestable, et ce pour plusieurs raisons.

  • Tout d'abord, et nous l'avons vu au cours de notre étude, de telles machines représentent un investissement financier important. Au vu des recettes possibles, la rentabilité est négative.

 

  • Ensuite, cet investissement ne garantit pas que les arrays pourront se maintenir pendant cinq années complètes au beau milieu de l'océan, enclin à d'importantes perturbations climatiques comme des tempêtes. Peut-on être sûrs que le vent ou les vagues n'endommageront pas les barrages, en particulier les bras périphériques, étant données leurs dimensions?

 

  • Le point suivant est une considération technique. Les machines devrons être fixées à une profondeur d'environ 4000 mètres (au niveau du fond océanique). Cela ne s'est encore jamais fait. Même si cela était possible, le coût serait colossal. On parle déjà d'ancrage ultra-profond à une profondeur de 1500m. Les puits de pétrole ancrés de 1000 à 2500m de profondeur représentent moins de 3% de ceux existants actuellement, et on n'a réussi à atteindre cette profondeur de 2500m que très récemment, en 2006. Les efforts techniques sont encore à développer pour permettre l'ancrage des arrays à une profondeur égale au double de ce que l'on est actuellement capable de faire.

 

  • De plus, un ancrage à une telle profondeur ne permettra peut-être pas d'empêcher les arrays de tourner sur eux-même selon l'orientation du courant. Or, si un array se trouve positionné dans le sens du courant, il n'a plus aucune utilité pour la collecte du plastique. Il faudrait en plus prévoir un système de surveillance et/ou repositionnement pour remédier à ce problème, ce qui augmente encore les coûts.

 

  • Le but principal du projet est de "nettoyer" les océans du plastique qu'ils contiennent au sein des gyres. Mais les barrages flottants ne permettraient de traiter que le sommet de l'iceberg. Tout le plastique plus dense qui se trouve jusqu'à une profondeur de 30 mètres (image ci-dessus) ne sera pas extractible par cette méthode, et a pourtant également un impact sur la biodiversité. De plus, après les 5 années que durera le projet, des plastiques en provenance de la terre continueront à se concentrer au niveau des gyres. Le problème de la pollution plastique doit parallèlement être traitée à la source, par le comportement des consommateurs. Peut-être vaudrait-il mieux patienter encore et attendre que les rejets de plastique dans l'eau s'amoindrissent avant de se lancer dans un projet de nettoyage des océans, au risque de devoir recommencer peu de temps après.

                                                 

Coupe du "continent de déchets" (Source: http://ddc.arte.tv/nos-cartes/des-iles-de-dechets)

 

  • Le calcul de rentabilité dépend des bénéfices, et par là même de la quantité de plastique réellement extractible et valorisable. Or, de nombreuses incertitudes demeurent à ce sujet.

 

  • Enfin, on peut se poser la question des espèces protégées qui risqueraient de se retrouver piégées dans les arrays. Le risque est moindre que dans le cas de l'utilisation de filet, mais il n'est pas nul pour autant. Car au regard des dimensions des machines, il ne serait pas improbable qu'une tortue à écaille, ou Eretmochelys imbricata,  se retrouve piégée par exemple. Une fois dans le bac de réception, elle n'aurait aucun moyen d'en sortir. Or, cette espèce est classée "sérieusement menacée" sur la liste rouge de l' UICN, ou Union Internationale pour la Conservation de la Nature.

Recherche d'une solution aval alternative au projet de barrage

La solution parfaite n'existant pas, nous avons essayé d'imaginer une solution alternative d'extraction des déchets.

Il pourrait s'agir d'une structure flottante, dotée d'un grand tube qui permettrait de pomper l'eau jusqu'à 15-20 mètres de profondeur. Ainsi, même les plastiques se trouvant en profondeur seraient pris en charge par la machine. Ce principe permet de s'affranchir des bras périphériques, qui rendent les arrays fragiles vis-a-vis des intempéries.

Le plastique et l'eau seraient séparés par filtration ou décantation par exemple. L'eau serait retournée à l'océan, alors que les plastiques serait valoré directement sur la machine par incinération, ce qui pourrait produire l'énergie nécessaire, ou du moins une partie, pour faire fonctionner le dispositif. La machine ne disposerait pas de panneaux solaires, qui risquent de toute façon d'être altérés et de perdre leur efficacité à cause de la salinité de l'eau. Une couche de sel pourrait en effet se déposer sur les panneaux, qu'il faudrait nettoyer. De plus, ces panneaux ne permettent un apport d'énergie que la journée. On utiliserait à la place un dispositif qui convertit l'énergie des vagues, présentes aussi bien la nuit que le jour.

Enfin, au lieu d'un ancrage à 4000 mètres de profondeur, qui est techniquement et financièrement peu envisageable, on pourrait choisir un système de repositionnement par satellite par exemple.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Coût de l'inaction et recherche de financement

Dans tous les cas, la gestion de l'environnement demandera des efforts financiers. Il faut choisir les méthodes permettant un coût le plus faible possible et une recette la plus élevée. Mais le bénéfice peut être négatif.  Auquel cas, si nous choisissons de ne pas réaliser le projet, quelles sont les conséquences de l'inaction? Car de nombreux secteurs sont régulièrement touchés par la pollution (plastique mais pas uniquement) des océans, et cela représente pour eux des coûts parfois très importants.

  • La biodiversité est directement touchée par ce problème de pollution aquatique. Comme nous en avons déjà parlé dans la partie "Généralités", de nombreuses espèces marines et oiseaux sont impactés par la pollution plastique. En effet, elle entraîne des milliers de morts chaque année, par étranglement ou ingestion de plastiques.

 

  • Parmi les secteurs directement touchés par cette pollution, on trouve la pêche professionnelle. Il existe des risques pour la navigation par enroulement de filets abandonnées dans les hélices des bateaux par exemple. Dans les cas extrêmes, un remorquage de bateau peut coûter jusqu'à plusieurs milliers d'euros. Avec leurs filets, les pêcheurs pêchent des poissons, mais aussi des déchets! Ceux-ci représente un manque à gagner, puisqu'ils réduisent les prises. De plus, les déchets sont susceptibles d'endommager les filets, qu'il faut ensuite nettoyer, réparer ou bien remplacer. On estime qu'en europe, l'impact des déchets coûte jusqu'a 40 000 euros par an et par bateau, en fonction de leur taille, ce qui n'est pas négligeable. L'impact sur l'aquaculture et la conchyliculture en Europe est annuellement estimé a quelques millions d'euros.

 

  • Bien évidemment, le tourisme est impacté par la nuisance visuelle qu'est la pollution plastique, et ce principalement au niveau des plages. Le nettoyage manuel ou mécanique de ces plages a un coût. En Espagne, l'investissement annuel représente plus de 60 000 euros par port pour enlever déchets. En France à Saint-Jean-de-Luz, les plages sont nettoyées quotidiennement. Les quelques 22 730 m2 représentent un coût d'entretien annuel de 259 000 €. A cela s'ajoutent 37 000 € pour la mise en place de filets anti-pollution quelques mois dans l'année. Le nettoyage des plages peut être complété par le ramassage de déchets directement dans l'eau, par le biais de bateaux ou jet-skis.

Les secteurs liés à la pêche ou au tourisme pourraient être d'une façon ou d'une autre sollicités pour subventionner des projets de nettoyage du plastique dans l'eau, qui de façon directe ou indirecte allègera certains de leurs coûts.

Conclusion

 

D'après l'étude du projet sur lequel nous nous sommes basés, l'extraction du plastique dans le gyre Atlantique Nord ne serait pas rentable (Il faut cependant bien noter que ce résultat est le fruit d'une étude comportant de nombreuses incertitudes). Dans les trois cas de valorisation envisagés, à savoir incinération, transformation en brut ou en diesel, la valeur actuelle nette (VAN)  est très négative. Or, un projet n'est communément accepté que lorsque cette valeur est strictement positive. Nous pouvons néanmoins conclure que la valorisation la plus intéressante financièrement et d'un point de vue environnemental est la transformation des plastiques en diesel, suivie de la conversion en carburant brut, et enfin de l'incinération. Le résultat dépend fortement de la quantité de plastique réellement extractible et donc valorisable. Or, cette valeur est très difficile à estimer. Un système de taxes pourrait peut-être aider à financer des projets de ce type. Néanmoins, il serait plus pertinent d'agir en amont du problème de la pollution plastique.

Les bioplastiques : une solution?

Positionnement du problème

Les solutions en aval du problème de la pollution plastique des Océans sont très séduisantes et souvent innovantes. Néanmoins on ne peut pas occulter le fait qu'elles soient aussi très difficiles à mettre en place, d'un point de vue technique tout d'abord, puisque la mer est un environnement fortement imprévisible, mais surtout d'un point de vue  économique et institutionnel. En effet, les gyres étant des zones internationales, il n'est pas possible d'établir clairement la responsabilité de la pollution constatée, et donc le choix de la prise en charge reste total.

Nous avons donc pensé le problème sous un angle différent en envisageant une solution amont, qui consisterait à substituer les plastiques traditionnels d'origine pétrochimique et non biodégradables, nocifs pour l'environnement, par des bioplastiques biodégradables, issus ou non de la biomasse. Initialement, nous avions prévu d'étudier deux types de plastiques biodégradables, l'un issu de la pétrochimie, l'Ecoflex de BASF, l'autre issu de la Biomasse, le PLA de NatureWorks. Or nous n'avons pas réussi à nous procurer l'inventaire des flux d'émissions de l'Ecoflex et nous nous sommes donc borner à la comparaison du PE avec le PLA.

A l'aide du logiciel SimaPro, nous avons ainsi réalisé l'étude du cycle de vie (ACV) comparant les films alimentaires plastiques en PLA et en PE, en considérant qu'ils se retrouvaient au sein des océans. Nous avons ainsi déterminé lequel a le plus d'impact sur l'environnement, en faisant l'hypothèse que le PLA se dégradait entièrement dans l'océan et que le PE était, quant à lui, récupéré au sein du gyre atlantique nord puis revalorisé.

Deux voies de revalorisation ont été par ailleurs envisagées pour le PE récupéré en mer : l'incinération et la revalorisation en diesel. Ainsi, couplés à l'étude économique réalisée par le binôme 2, nos résultats permettront de trancher en faveur de la filière répondant au mieux aux objectifs du développement durable.

Enfin, nous avons également envisagé une deuxième solution amont au problème de la pollution plastique des océans : celle du recyclage. Nous avons en effet étudié la sensibilité des impacts environnementaux à la mise en place d'une filière de recyclage.

Les Bioplastiques

A la fin des années 80,  avec l'émergence de la notion de développement durable, les questions de la gestion des déchets, et plus particulièrement du recyclage, deviennent prégnantes. On assiste alors à l'émergence de la notion de cycle de vie d'un produit et de l'éco-conception (qui consiste à intégrer dès la conception les impacts environnementaux) et dans ce contexte, s'amorce le développement des bioplastiques.

En effet les polymères classiques issus de la pétrochimie sont souvent utilisés dans des applications à faibles durées de vie; l'exemple le plus parlant étant le fameux sac plastique. Or cela va à l'encontre même du principe de durabilité. Par ailleurs, ces plastiques sont une source de pollution et de nuisance (visuelle par exemple), ainsi qu'un danger pour la vie sauvage, les océans entre autre. De plus ils engendrent un volume considérable d'ordures ménagères et leur valorisation énergétique est problématique, puisqu'elle entraîne des émissions toxiques, de type dioxine. La valorisation matériau est quant à elle peu concluante, entre faibles débouchés et problèmes techniques.

Définition

Le terme bioplastique regroupe deux types de polymères distincts :

  • Les polymères dits bio-sourcés (ou agro-sourcés), c'est à dire issus de ressources renouvelables, souvent de la matière végétale, telles que le blé, le maïs ou bien la pomme de terre par exemple.
  • Les polymères biodégradables. Ceux-ci peuvent être issus aussi bien de la pétrochimie que de la biomasse.

 

Classification des polymères biodégradables selon leur origine, source : Avérous L (2004), J. Macromol. Sci C Polym. Rev., 3, 231

Certains bioplastiques peuvent donc être à la fois biosourcés et biodégradables :

 

Polymères biodégradables ou non en fonction de leur origine, source : Technique de l'ingénieur

Ces différents polymères ont des propriétés physico-chimiques différentes et ne sont donc pas toujours destinés aux mêmes usages et applications. En fonction de leur origine, ils possèdent ainsi différents avantages et inconvénients qui les destinent préférentiellement à des applications particulières.

Avantages et inconvénients des différents bioplastiques, source : http://www.encyclo-ecolo.com/Bioplastique

Enfin concernant la définition des bioplastiques, il est important de ne pas les confondre avec les polymères dits oxo-dégradables qui sont fragmentables mais non biodégradables. Ces plastiques ont l'avantage d'être moins chers à produire que les bioplastiques et surfent sur la vague du bio pour séduire les consommateurs.

La biodégradabilité

Les plastiques officiellement dits biodégradables sont définis par la norme européenne EN 13432, relative à la directive « emballages et déchets d’emballages (94/62/CE) », qui spécifie les exigences et les méthodes permettant de déterminer la possibilité de compostage et de traitement en anaérobiose des emballages et des matériaux d’emballage. Elle stipule que : 

  • Le matériau doit être transformé à 90 % en humus en six mois lorsqu’il est placé dans des conditions de compostage industriel.
  • Pour être considéré comme compostable, il doit satisfaire à un test de 12 semaines, à la fin duquel la totalité des résidus supérieurs à 2 mm doit être inférieure à 10% de la masse initiale.
  • Les résidus ne doivent pas présenter d’écotoxicité, et avoir une très faible concentration en métaux lourds.
  • Il ne doit pas y avoir d’inhibition de la croissance des plantes sur le milieu (biodégradable) ou le compost (compostable).

Cette norme est donc définie uniquement pour les conditions agressives d'une unité de compostage industriel, c'est à dire fonctionnant à un température supérieure à 60 °C entre autre. Ces plastiques ne se dégradent donc pas forcément dans un composteur domestique, et a fortiori dans l'océan. Par ailleurs il n'existe à ce jour aucune norme applicable aux conditions de compostage domestique.

Différents labels attestent également de cette propriété, comme celui d'Ok Compost qui est reconnu par la norme cette norme. Par ailleurs, une nouvelle norme européenne concernant la biodégradabilité des plastiques (CEN TC 249/ WG 9) est en préparation.

La situation actuelle et les perspectives d'évolution

Selon une étude publiée par l’association professionnelle European Bioplastics, à l'orée 2017, le marché des bioplastiques devrait passer d’environ 1,4 million de tonnes (en capacité de production annuelle) en 2012 à 6,2 millions de tonnes environ en 2017. Par ailleurs, les applications des bioplastiques sont très diverses : de la simple bouteille en plastique, et plus généralement le marché de l'emballage, qui devrait rester le premier débouché en 2017, au clavier de l'industrie électronique.

      Global Prod Market Segment_Total_2012_en

Enfin même en prenant en compte les taux de croissance annoncés, la surface agricole utilisée pour l’approvisionnement en matières premières renouvelables destinée aux bioplastiques ne représentera qu’environ 0,02% de la surface agricole mondiale.

L'exemple du PLA

L'acide polylactique (polylactic acid en anglais, abrégé en PLA) est un polymère biodégradable utilisé principalement dans l'emballage alimentaire. Le film pour paillage agricole représente également un secteur de débouché intéressant. En effet la  propriété de biodégradabilité d'un tel polymère représente une solution aux préoccupations environnementales rencontrées par ces secteurs. C'est également un matériau utilisé par certaines imprimantes 3D.

Procédés de fabrication

Le procédé de fabrication du PLA repose sur la fermentation de la dextrose, un sucre végétal élémentaire, sous l'action de bactéries synthétisant l'acide lactique. Celui-ci est ensuite distillé et polymérisé par un nouveau procédé de fermentation en acide polylactique. Les plantes ressources sont principalement celles riches en "sucre" comme le maïs, la betterave, le riz, le manioc...

Conversion of L-lactic adic to PLLA

source : http://polymerinnovationblog.com/from-corn-to-polylactic-acid-part-2-making-the-pla-polymer/

source : http://www.futerro.com/frindex_pla.html

Avantages et Inconvénients

On s'intéresse ici aux avantages et inconvénients des plastiques biosourcés et biodégradables, tels que le PLA, qui fera l'objet de l'ACV. Les principaux avantages de tels plastiques sont :

  • La réduction de la consommation des ressources fossiles qui entraîne la réduction du cycle du carbone.
  • Sa biodégradabilté et/ou compostabilité. La fin de vie de tels plastiques génère donc, en théorie, moins d'émissions nocives pour l'environnement et permet, dans le cas de produits compostables, de récupérer un produit revalorisable.
  • Ils ne sont pas affectés par la variabilité du prix du pétrole, au contraire des plastiques traditionnelles.
  • Ils ont bien souvent un impact positif vis à vis du consommateur, de plus en plus sensible au questions environnementales.

Mais tout n'est pas parfait, et ces plastiques possèdent un certain nombres d'inconvénients non négligeables et qui expliquent en partie pourquoi ils sont encore peu présents sur le marché du plastique.

  • Son prix est un des principaux frein à son développement. Actuellement le PLA coûte plus de 2 euros par kg contre 1 euro par kg pour le PE issu de la pétrochimie.
  • Sa disponibilité faible, puisqu'il y a encore peu de fabricants de bioplastiques.
  • Sa mise en oeuvre est plus difficile que celle du PE traditionnel, qui elle est bien maîtrisée, à cause, entre autre, de sa faible résistance thermique, qui oblige à travailler dans des conditions opératoires très contrôlées.
  • Son identification par les consommateurs demeure par ailleurs un peu floue et une confusion s'opère entre les notions de biodégradabilité et de biosourcé.
  • Pour l'instant, il n'existe pas de filières de valorisation identifiable. Les composteurs industriels sont tenus d'accepter ces plastiques dans leur filière, mais, notamment en ce qui concerne les usages agricoles, ils ne le font pas toujours, à cause de pré-traitements nécessaires, notamment de lavage préalable, qui engendreraient un sur-coût.
  • Le scepticisme des consommateurs joue également un rôle. Ceux-ci sont en effet méfiants concernant l'utilisation d'OGM pour la fabrication de ces plastiques. De plus, bien souvent, ils émettent des réserves vis à vis de l'utilisation des ressources vivrières pour ces plastiques qui concurrencent directement l'usage alimentaire.
  • Cette filière des bioplastiques apparaît comme un concurrent direct à une autre solution pour réduire les impacts environnementaux : le recyclage. Or certains considèrent qu'il est préférable de réutiliser un produit (recyclage) que de revaloriser un déchet.
  • Des études ont montrées qu'en conditions naturelles (mélange de sable et d'eaux de mer), au bout d'un an, seulement 20% du PLA s'est dégradé et la biodégradation semble attendre un plateau et ne pouvoir aller au-délà dans ces conditions.

 

Démarche de l'ACV

Nous avons choisi de réaliser une analyse de cycle de vie (ACV) comparative entre les  plastiques traditionnels, de type polyéthylène (PE), et  les plastiques biodégradables issus de la biomasse, de type acide polylactique (PLA). Nous avons pour cela utilisé le logiciel Simapro 7 et  la base de données associée EcoInvent 1.3.

L'ACV permet de modéliser et d'évaluer les impacts environnementaux d'un produit, d'une fonction ou d'un procédé. Ce puissant outil d'aide à la décision suit une logique de cycle de vie et ses objectifs peuvent être divers. Par exemple, il peut permettre de comparer plusieurs types de matériaux et différents scénarios de fin de vie, afin de déterminer lequel est le moins nocif pour l'environnement. La démarche ACV comprend quatre grandes étapes, comme représenté dans le diagramme ci-dessous.

Source : http://www.fondation-uved.fr

Etape 1 : Définition des objectifs et du champs de l'étude

Définition des objectifs

Notre étude ACV doit répondre à quatre objectifs :

  • Le principal consiste à comparer le PE, tombé dans l'océan, récupéré et revalorisé, au PLA, supposé biodégradable en milieu marin, afin de déterminer quel matériau est le plus respectueux de l'environnement.
  • Ensuite, il s'agit de comparer les filières classiques du PE et du PLA afin de déterminer qui du recyclage ou des biomatériaux représente la meilleure solution environnementale.
  • Par ailleurs, une étude de sensibilité à la mise en place d'une filière de recyclage sera menée sur le cycle de vie traditionnel du PE (qui ne tombe pas dans l'océan).
  • Enfin, une analyse de l'importance des impacts dus au transport, notamment pour aller récupérer les plastiques en mer, sera effectuée.

Définition du champs d'étude

Afin de comparer ces matériaux qui à priori n'ont pas forcément les mêmes propriétés physico-chimiques, nous avons choisi une fonction commune, à savoir emballer des produits alimentaires au moyen de films. De plus, ceux-ci constituent une utilisation courante.

L’unité fonctionnelle représente une quantification de la fonction d’un produit. Il s'agit de l'unité de référence pour comparer des matériaux a priori différents. Comme toute unité, elle se doit d’être précise, mesurable et additive. Pour la fonction "Emballer des produits alimentaires", nous avons choisi l'unité fonctionnelle suivante : "Produire, collecter et traiter xx m² de film plastique". Nous n'avons pas préciser la surface utilisée car dans notre étude nous avons directement utilisé un flux de référence (c'est-à-dire la quantité de produit nécessaire pour couvrir les besoin de l'unité fonctionnelle). En effet, lors de nos recherches bibliographiques, nous avons pu obtenir l'inventaire des flux du PLA de NatureWorks dont le flux de référence était 1kg de PLA. Rapporté au PE via la densité, on obtient 0,736 kg de PE.

Types plastiques Densité (g/cm3) [*] Flux de référence (kg)
Polyéthylène (PE) 0,92 0,736
Acide polylactide (PLA) 1,25 1

Densités et flux de référence, Source : Bio Intelligence Service

Les limites du système dans l'océan

Cette étude ACV comprend l’intégralité du cycle de vie : du berceau à la tombe. Nous considérerons donc les étapes de production, transport et fin de vie. Dans notre cas, cette dernière comprend l'extraction des plastiques des océans puis leur revalorisation, qui se décline en deux voies : l'incinération et la valorisation en diesel.

Schéma des limites du système dans l'océan, Source : Bio Intelligence Service

Les limites du système classique

On notera que nous avons également réalisé une étude ACV du PE et du PLA en considérant un cycle de vie "classique", à savoir sans que le plastique ne tombe pas dans l'océan. Cette étude complémentaire nous a permis dans un premier temps de modéliser un scénario bien connu afin de se raccrocher à une référence et dans un second temps d'aborder le sujet du recyclage.

Schéma des limites du système classique, source : Bio Intelligence Service

Etape 2 : Inventaire des données sur le cycle de vie

Les bases des données utilisées sont celles présentes dans EcoInvent pour Le PE et celles récupérées dans l’inventaire des flux de Nature Works.

Etape 3 : Evaluation des impacts

Afin d'évaluer les différents impacts environnementaux, le logiciel SimaPro propose un large pannel de méthodes de calcul utilisant des indicateurs d'impacts potentiels, qui permettent de quantifier les rejets dans l'air, l'eau et le sol ainsi que les flux de déchets émis par le système.

Source : http://www.alembal.com/

Il existe deux grandes familles d'indicateurs d'impacts potentiels, chacun correspondant à une vision différente :

  • La vision Midpoint, qui se focalise sur les impacts ou effets, utilise des facteurs d'impacts.
  • La vision Endpoint s'intéresse elle aux dommages constatés. Ici, les facteurs de caractérisation intermédiaire sont regroupés en différentes catégories de dommages.

Pour notre étude, nous avons utilisé la méthode de calcul la plus courante en Europe, Impact 2002+. Cette méthode présente l'avantage de permettre d'adopter les deux approches possibles. Voici ses facteurs d'impacts que l'on a regroupé ensuite en quatre catégories de dommages pour plus de lisibilité :

Tableau des facteurs et catégories d'impacts

Etape 4 : Interprétation

Cette partie est traitée dans l'onglet "Résultats", cependant on notera qu'il existe quatre types de représentation :

  • La caractérisation permet de convertir les résultats de l’inventaire en une unité commune en fonction de leurs contributions respectives à la catégorie d’impact considérée (par exemple : "Changement climatique exprimé en kg de CO2eq").
  • La normalisation permet de quantifier l’importance relative des différents impacts entre eux. Pour une catégorie donnée, on divise le score d'impact de notre cycle de vie par l'impact moyen d'une zone géographique considérée. Ainsi, on peut voir quelle catégorie subit le plus d'impacts.
  • La pondération consiste à donner plus de poids aux dommages qui sont jugés plus «graves ».
  • Le score unique permet d’obtenir une note environnementale unique pour le produit analysé en agrégeant les scores obtenus pour chaque catégorie de dommages pondérée.

Nous avons opté pour la pondération et le score unique pour faciliter la lisibilité et l'interprétation de nos résultats, même si ce faisant, nous avons perdu de l'information.

Hypothèse de l'étude

Exclusions des systèmes

Le transport par l'usager, c'est-à-dire du lieu de distribution jusqu'au domicile, n'est pas pris en compte dans notre étude. Par ailleurs, les conditions d'utilisation chez l'usager (maintient dans un lieu réfrigéré par exemple) ont été négligées.

Hypothèses liées au transport PE

Le PE est fabriqué en Europe. Ainsi on retiendra une distance de transport des résines jusqu'au lieu de mise en oeuvre de 500 km. Le transport s'effectue en camion 40 tonnes.

Pour ce qui est du transport du film plastique jusqu'au lieu de distribution, une distance de 110 km parcourue (distance moyenne observée pour le transport de marchandise en Europe. Source : EUROSTAT) en camion 40 tonnes a été retenue.

Concernant la collecte des déchets PE dans l'océan, nous avons retenu une distance de 2000 km pour l'incinération, à savoir la distance entre le centre du gyre et la côte américaine. La revalorisation en diésel s'effectue au Royaume Uni, c'est pourquoi nous avons considéré une distance de 5000 km pour ce scénario de fin de vie. Le transport s'effectue en bateau (Transoceanic freight).

Une fois les déchets PE arrivés à la côte, nous avons considéré une distance de 110 km par camion 40 tonnes pour les acheminer jusqu'au lieu de revalorisation.

Pour la collecte des déchets PE classique, nous avons considéré une distance de  50 km par camion 40 tonnes.

Il est à noter que le transport à vide est déjà inclus dans la manière de compter d'EcoInvent. Il suffit donc de multiplier la masse transportée par la distance que le produit parcourt. Ceci est bien entendu aussi valable pour le transport du PLA.

Hypothèses liées au transport PLA

Le PLA, quant à lui, est produit aux Etats Unis (Nebraska). Les distances prises en compte sont : 2000 km par train pour l'acheminer jusqu'à la côte, puis 6000 km par bateau jusqu'en Europe. Enfin nous avons gardé la même distance de 110 km par camion 40 tonnes pour ce qui est du trajet jusqu'au lieu de distribution.

Scénarios de fin de vie du PLA

Nous avons ici fait l'hypothèse forte que le PLA était biodégradable dans l'océan. Ceci implique que le plastique est dégradé et assimilé par le milieu marin et donc qu'aucune collecte n'est nécessaire. Afin de modéliser l'impact d'une telle biodégradation dans l'océan, nous avons décidé de l'assimiler à du compostage, car ce type de bioplastique est principalement destiné à un tel scénario de fin de vie. Cependant, le celui-ci n'étant pas disponible dans la base de données EcoInvent à notre disposition, nous avons du nous résigner à donner une fourchette de cet impact. Pour cela nous avons pris comme borne inférieure l'absence de fin de vie et pour borne supérieure l'incinération, qui est le scénario de fin de vie le plus nocif pour l'environnement. Une telle modélisation ne pose pas de soucis pour l'interprétation de nos résultats car il ne s'agit pas de quantifier exactement l'impact des plastiques mais bien de les comparer, aussi un ordre de grandeur est suffisant.

Avec les hypothèses effectuées, notamment celle consistant à modéliser l'impact du PLA dans l'océan par du compostage, on constate que notre modélisation du PLA tombé dans l'océan et celle du PLA classique sont identiques. Nous avons donc pu comparer tous nos scénarios.

Scénarios de fin de vie du PE océan

En nous basant sur les conclusions du binôme 2, nous n'avons pris en compte que la transformation en diesel et l'incinération, c'est à dire la meilleure et la moins bonne solution d'un point de vue économique. Nous avons également considéré qu'il n'était pas envisageable de recycler le plastique récupéré, celui-ci étant mélangé et pollué.

Nous n'avons pas pris en compte les pré-traitements des deux voies de revalorisation des plastiques récupérés dans l'océan, à savoir le lavage pour la transformation en diesel, et  le séchage pour l'incinération.

Fin de vie du PE classique

Concernant les scénarios de fin de vie à proprement parlé, nous avons retenu deux scénarios distincts :

  • La fin de vie classique comprenant 5% de recyclage, 50% d'incinération et 45% d'enfouissement.
  • La fin de vie avec recyclage comprenant 33% de recyclage, 35% d'incinération et 32% d'enfouissement.

Les valeurs retenues pour le pourcentage de recyclage correspondent au pourcentage de matière plastique recyclée en France pour le premier scénario, et à la valeur moyenne en Europe pour le second.

Résultats

Il faut ici bien garder en tête que les résultats sont analysés dans le cas de l'utilisation de films alimentaires plastiques. Les tendances observées ne sont donc pas forcement généralisables aux autres applications.

Mise en place d'une filière de recyclage

On caractérise ici la sensibilité des impacts émis à la mise en place d'une filière de recyclage plus efficace. On passe donc de 5% de recyclage du plastique pour la filière classique à 33% de recyclage.

On obtient les résultats suivants en score unique et en pondération:

Score unique

On constate que le recyclage a un impact positif loin d'être négligeable sur l'environnement, en termes d'impacts évités. En effet, en passant à un recyclage matière de 5% à 33%, l'impact du PE diminue sensiblement, de 27%.

Pondération

Quelle que soit la filière considérée, les ressources sont les plus impactées, tandis que l'écosystème est peu touché. A tous les niveaux, c'est bien le recyclage qui permet d'éviter le plus d'impact.

Comparaison PE classique vs PLA océan

Dans cette partie, on compare les deux solutions amont, que sont la mise en place d'une filière de production de bioplastiques et le recyclage. Il est important de noter que cette comparaison est uniquement possible sous l'hypothèse forte que le cycle de vie du PLA dans l'océan correspond à celui de la filière classique du PLA (cf. Hypothèses). Par ailleurs, comparer les filières classiques du PLA et du PE permet de se ramener à une étude connue et de pouvoir avoir une référence attestant de la cohérence de nos résultats.

Score Unique

On constate que le PLA et le PE recyclé à 33% présentent des scores uniques comparables. Selon la fin de vie envisagées pour le PLA (pas de fin de vie ou incinération), le recyclage est plus ou moins avantageux bien que la différence ne soit pas déterminante.

Pondération

On observe que comparé au PE recyclé à 33%, le PLA est plus éco-respectueux pour ce qui concerne les ressources et le changement climatique, mais génère plus d'impacts sur la santé humaine. Dans une optique d'aide à la décision, il faudrait affiner l'étude, avec dans un premier temps, affecter des coefficients de pondération par catégorie de dommages et/ou dans un deuxième temps prendre en compte les pré-traitements et en reconsidérer l'hypothèse de la biodégradabilité totale du PLA dans l'océan.

Comparaison PE vs PLA dans l'océan

On compare ici les impacts du PLA qui se biodégrade en milieu marin avec ceux du PE dans l'océan que l'on récupère et revalorise.

Comparaison générale

Pour le PE récupéré dans l'océan nous avons pris en compte les deux voies de revalorisation envisagées, à savoir l'incinération et la production de diesel. Pour ce qui est du PLA on considère qu'il se biodégrade entièrement dans l'océan. Les fins de vie envisagées, bien que non représentatives de la réalité, sont une filière sans fin de vie et une avec incinération, à savoir le scénario le plus respectueux de l'environnement et le plus néfaste pour celui-ci. Malgré l'absence d'une fiche processus compostage qui aurait été la fin de vie la plus adaptée dans notre cas, nous sommes ainsi capable de donner une fourchette des impacts qu'aurait généré cette fin de vie.

Les deux voies de valorisation du PE récupéré dans l'océan sont équivalentes d'un point de vue environnemental. En comparant ces filières PE à celle du PLA, on observe que celui ci est bien moins néfaste pour l'environnement, de 32% à 42% d'impacts en moins selon la borne de l'intervalle considérée.

En analysant le graphique ci-dessus, on note que la différence entre les impacts du PE et du PLA se fait surtout sur les catégories "changement climatique" et "ressources". Les deux filières sont comparables pour ce qui est de la santé humaine et de la qualité de l'écosystème.

Focus sur les 2 voies de revalorisation du PE

On s'intéresse plus en détails aux deux voies de revalorisation des plastiques récupérés, afin de quantifier l'impact de celles-ci sur l'environnement et de pouvoir proposer la solution la moins nocive pour l'environnement. Ainsi on cherchera à voir si cette option corrobore le choix du binôme 2, qui s'est basé uniquement sur un critère économique pour trancher entre ces deux filières.

Les résultats pour le PE récupéré dans l'Océan, en fonction de chaque catégorie d'impact pour les deux voies de revalorisation donnent, en groupé et en détaillé :

 

On constate que pour la revalorisation en diesel il y a des histogrammes négatifs qui témoignent d'impacts évités. Ce qui est cohérent puisque transformer le plastique récupéré en carburant revient, en terme de cycle de vie, à économiser des matières premières au niveau de la production. A noter qu'il faut bien considérer ces résultats en terme d'impacts évités et non de bilan positif pour l'environnement.

Si les résultats observés au niveau de la catégorie "extraction des ressources" corroborent bien cette observation, il n'en va pas de même pour les catégorie du réchauffement climatique et de consommation en énergie non renouvelable. En effet la synthèse du diesel par pyrolyse permet d'économiser les matières premières, mais est aussi un procédé coûteux en énergie. Et par ailleurs, dans SimaPro, le processus d'incinération prend en compte une revalorisation totale de l'énergie dégagée. Or cette hypothèse est tout-à-fait discutable et dans la réalité, le bilan environnemental de l'incinération serait plus défavorable.

De plus, on se rend compte que les voies de valorisation sont, d'un point de vue environnemental, peu ou prou équivalentes. Il est donc difficile de trancher en faveur de l'une ou de l'autre, d'autant plus si l'on considère le fait que nous n'avons pas pris en compte les filières de pré-traitement, par manque de données. On pourrait affiner notre analyse en affectant des poids différents aux catégories de dommages selon des choix arbitraires répondant à des objectifs préliminaires à l'étude (par exemple, si l'on choisit que la santé humaine est le critère le plus important, on affectera à cette catégorie un poids plus important).

Sensibilté des résultats aux transports

Enfin on compare les analyses de la filière classique du PE (avec 5% de recyclage pour la fin de vie) avec celles des plastiques récupérés dans l'océan et revalorisés.On observe que quelle que soit la filière, l'impact des transports et de la fin de vie est faible vis à vis de celui de la production de films plastiques. D'autant plus que la filière classique comporte 45% d'enfouissement pour la fin de vie, qui génère peu d'impacts sous SimaPro, comparé à l'incinération.

  

    

Pour ce qui est de l'étude de sensibilité sur les transports à proprement parlé, le logiciel SimaPro prend en compte uniquement la distance parcourue pour une masse donnée. La masse ne changeant pas, la seule variable reste la distance parcourue. Il en résulte que l'impact des transports est directement proportionnel à celle-ci. Nous sommes arrivés à la conclusion qu'il faudrait multiplier la distance parcourue par un facteur 15,6 pour que le transport ait autant d'impact que la production du PE; ce qui semble peu probable.

Critiques et limites de l'ACV

Les données

Les principaux problèmes que nous avons pu rencontrer au cours de notre étude concernent surtout le manque de données, notamment au niveau des inventaires de flux des différents bioplastiques. En effet ceux-ci étant relativement récents, ces données sont souvent confidentielles et peu accessibles à des étudiants. De plus la base de données d'EcoInvent à notre disposition est parfois lacunaire, notamment en ce qui concerne les scénarios de fin de vie et particulièrement le compostage.

La calibration des résultats

Nous avons utilisé, comme document de référence à notre étude, l'ACV d'emballages en plastique de différentes origines (Rapport final, Avril 2007) réalisée par Bio Intelligence Service, en collaboration avec l'ADEME. Nous avions dans un premier temps souhaité nous « calibrer » avec leurs résultats en utilisant la même méthode de calcul d'impacts, c'est à dire CML 2002. Or dans notre version de Simapro, nous ne disposions pas de cette méthode et avons donc eu des difficultés à valider et interpréter nos résultats.

Les hypothèses

  • La fin de vie du PE traditionnel. Dans la filière classique de production de film PE nous avons considéré une fin de vie comportant 45% d'enfouissement. Or dans les années à venir on va assister à une interdiction de cette méthode de traitement, afin de mettre en avant le recyclage. De plus, sous SimaPro, ce scénario de fin de vie est l'un des moins impactant. Or il na correspond pas vraiment à un traitement des déchets et ne prend pas en compte les problèmes liés à l'infiltration et à la pollution des sols et des nappes.
  • Les pré-traitements. Nous n'avons pas pris en compte les pré-traitements des deux voies de revalorisation des plastiques récupérés dans l'océan, à savoir le lavage pour la transformation en diesel, et  le séchage pour l'incinération. Les résultats, en terme d'impact, sont équivalents pour les deux scénarios de revalorisation, on peut donc penser que les pré-traitements seraient déterminant dans le choix de la solution la moins nocive pour l'environnement.
  • La biodégradabilité. Enfin la grosse incertitude porte sur l'hypothèse de la biodégradabilité du PLA dans l’océan. En effet la norme EN 13342 stipule que les plastiques biodégradables doivent se décomposer à 90% en 6 mois, mais dans des conditions de compostage industriel, c'est à dire, entre autre, à des températures supérieures à 60°C. Or des études ont montrées qu'en conditions naturelles (mélange de sable et d'eau de mer), au bout d'un an, seulement 20% du PLA s'est dégradé et la biodégradation semble attendre un plateau. Par ailleurs, modéliser le PLA dans l'océan par du compostage revient à dire que le PLA dans l'océan réagit de la même manière que le PLA classique; hypothèse tout à fait discutable.
  • Le processus d'incinération. La modélisation de l'incinération prend en compte la récupération totale de l'énergie dégagée, ce qui est peu représentatif du fonctionnement réel. En effet dans la réalité, il existe des pertes thermiques plus ou moins importantes. En les prenant en compte, l'impact environnemental de la revalorisation par incinération augmenterait donc.
  • Modélisation de la dégradation du PE dans l'océan. Sous SimaPro nous n'avons pas modéliser les impacts de la dégradation du PE dans l'océan et avons fait l'hypothèse qu'il était récupéré avant de commencer à se dégrader.

La méthode ACV

Les indicateurs environnementaux "mid-point" de la méthode Impact 2002+ étant peu intuitifs,  il est difficile d'analyser les résultats obtenus; même si l'agrégation en catégorie de dommages, en mode "end-point", permet une analyse plus aisée des résultats. Cependant, il est à noter qu'un tel regroupement entraîne une perte d'informations.

D'un point de vue général, l'ACV ne prend pas en compte les questions sociales et économiques. Elle se base uniquement sur des facteurs environnementaux, et donc ne répond pas aux exigences du développement durable. L'analyse des résultats doit donc s'effectuer au regard de cette observation, en gardant en tête que d'autres facteurs, notamment économiques entrent en compte. C'est pourquoi nous avons couplé notre étude de la revalorisation des plastiques récupérés dans l'océan, avec l'étude économique effectuée par le binôme 2. De plus cette méthode présente un problème d'agrégation spatiale. Par exemple le critère du changement climatique a un impact global tandis que celui de l'eutrophisation a lui un  impact local.

Conclusion

L’analyse de cycle de vie (ACV) réalisée montre clairement que pour des plastiques se retrouvant en milieu marin, et dans le cas des films alimentaires, le PLA est moins nocif pour l’environnement que le PE (polyéthylène) récupéré et revalorisé. De plus, les deux voies de revalorisation du PE sont équivalentes d'un point de vue environnemental. Par ailleurs l'impact du transport pour récupérer le plastique en mer et celui de la fin de vie s'avèrent négligeables devant celui de la production de films alimentaires.

Ensuite, on peut  noter l’importance du recyclage en termes d’impacts évités pour la filière classique. Finalement, il n'y pas de différence notable entre la mise en place d'une filière de recyclage et le développement de bioplastiques et l'on ne peut pas trancher à ce stade en faveur de l'une ou l'autre des solutions. Il faudrait reboucler le processus itératif de l'ACV pour affiner l'étude. Ces résultats sont par ailleurs à analyser avec du recul et un esprit critique car ils dépendent directement des hypothèses de travail et du choix du produit étudié. En effet, toute cette étude se base sur l'hypothèse de la biodégradabilité totale du PLA dans l’océan, qui s'avère erronée. Il faudrait donc étudier d'autres polymères dont la biodégradabilité est avérée en milieu marin, comme les polyhydroxyalcanoates (PHA) par exemple.

 

Conclusion générale

Dans ce Bureau d'Études Industrielles, nous avons cherché à comprendre la manière dont les déchets plastiques pouvait se concentrer au niveau des gyres. Nous avons pour cela modélisé le gyre subtropical de l'Atlantique Nord à l'aide du logiciel ROMS AGRIF. A partir des résultats obtenus, nous avons pu comprendre la dynamique selon laquelle les déchets convergent vers ces zones et où il peut donc être intéressant de chercher à les récupérer.

 

Cependant, l’extraction du plastique dans le gyre Atlantique Nord ne serait pas rentable, selon l'étude économique. Par ailleurs, l’ACV comparative des deux voies de revalorisation -transformation en diesel et incinération- ne montre pas de différence notable au niveau des impacts environnementaux. La transformation en diesel apparaît donc être la solution la plus acceptable au vu des exigences du développement durable. Néanmoins, ce résultat dépend fortement de la quantité de plastique réellement extractible, donc valorisable, et cette valeur est difficile à estimer.

Les solutions aval étant difficilement réalisables, tant d’un point de vue technique qu’économique, il serait plus pertinent de s’intéresser à des solutions amont, notamment la substitution des plastiques traditionnels par un bioplastique, le PLA (acide polylactique), supposé biodégradable en milieu marin, et la mise en place de recyclage. L’analyse de cycle de vie (ACV) réalisée montre clairement que ces deux solutions sont plus intéressantes que la solution aval considérée, c'est à dire la récupération et la revalorisation des plastiques. Cependant, il n'y pas de différence notable entre les deux et l'on ne peut pas trancher à ce stade en faveur de l'une ou l'autre. Ces résultats sont par ailleurs à analyser avec du recul et un esprit critique car ils dépendent directement des hypothèses de travail, notamment en ce qui concerne la biodégradabilité du PLA dans l’océan.

 

Le problème de la pollution plastique des océans reste un problème complexe et encore peu connu. A l’heure actuelle, le manque d’information sur les « continents de plastiques », de moyens techniques et de volonté politique est un frein à la mise en place d’un projet concret de dépollution de ces zones. Les solutions amont (recyclage, bioplastiques, taxes) semblent être pour le moment plus réalistes. Quoiqu'il en soit ce problème, qui dépasse toutes les frontières, nécessite une prise de conscience internationale et la mise en place d'une législation particulière, sans lesquelles aucune solution durable ne pourra être trouvée.