Bilan carbone — Menuiserie bois vs aluminium

Co-intervention Maths-Sciences | Première Bac Pro MA | S0.2 — Enjeux énergétiques

Objectifs

Comprendre la notion d'empreinte carbone d'un matériau
Calculer les émissions de CO&sub2; liées à la fabrication d'une menuiserie
Comparer l'impact environnemental de différents matériaux (bois, aluminium, PVC)
Interpréter un bilan carbone simplifié

Identification de la ressource

Savoir professionnel MA : S0.2 — Impact environnemental (GES, CO&sub2;, bilan carbone)
Notions mathématiques : Multiplication, conversions d'unités (kg, t), pourcentages, comparaisons
Notions sciences : Chimie (CO&sub2;, effet de serre), énergie
Niveau : Première Bac Pro MA

1. Mise en situation professionnelle

Contexte professionnel — Appel d'offres pour un château d'eau

Un architecte lance un appel d'offres pour la fourniture et la pose de 20 fenêtres dans un bâtiment public. Il demande aux entreprises de fournir un bilan carbone de leur offre, car le maître d'ouvrage exige un bâtiment à faible empreinte environnementale.

Votre entreprise de menuiserie répond avec une offre en bois (chêne). Le concurrent propose de l'aluminium. Le chef d'entreprise vous demande : « Calcule l'empreinte carbone de nos 20 fenêtres bois et compare avec l'aluminium pour montrer notre avantage environnemental. »

2. Effet de serre et CO&sub2;

Définition — Gaz à effet de serre (GES)
Les gaz à effet de serre (principalement CO&sub2;, CH&sub4;, N&sub2;O) piègent la chaleur dans l'atmosphère et contribuent au réchauffement climatique. Le CO&sub2; est le principal GES émis par l'industrie.

Définition — Empreinte carbone
L'empreinte carbone d'un produit est la quantité totale de CO&sub2; émise lors de son cycle de vie : extraction des matières premières + fabrication + transport + mise en œuvre + fin de vie.

Unité : kg de CO&sub2; équivalent (kg CO&sub2;eq) ou kg CO&sub2;eq / kg de matériau.

3. Empreinte carbone des matériaux de menuiserie

Tableau — Facteurs d'émission (fabrication)

Matériau	kg CO&sub2;eq / kg	Observation
Bois massif (chêne, hêtre)	0,5	Faible énergie de transformation
Bois lamellé-collé	0,7	Collage et usinage supplémentaires
PVC	3,1	Pétrochimie
Acier	2,3	Sidérurgie haute température
Aluminium (primaire)	8,0	Électrolyse très énergivore
Aluminium (recyclé)	1,0	Recyclage = 8× moins de CO&sub2;
Verre (double vitrage)	1,2	Fusion à haute température

Source : base INIES / ADEME (ordres de grandeur simplifiés à usage pédagogique).

Formule — Calcul de l'empreinte carbone
\[ E_{\text{CO}_2} = m \times f \]

\(E_{\text{CO}_2}\) : émissions en kg CO&sub2;eq
\(m\) : masse du matériau en kg
\(f\) : facteur d'émission en kg CO&sub2;eq / kg

Exemple — Une fenêtre bois vs aluminium
Fenêtre standard (1,20 m × 1,40 m) :
• Cadre bois chêne : masse = 25 kg → \(E = 25 \times 0{,}5 = 12{,}5\) kg CO&sub2;eq
• Cadre aluminium primaire : masse = 15 kg → \(E = 15 \times 8{,}0 = 120\) kg CO&sub2;eq

Le cadre aluminium émet 9,6 fois plus de CO&sub2; que le cadre bois, même s'il est plus léger.

Le bois : un matériau « puits de carbone »
Le bois a une particularité unique : pendant sa croissance, l'arbre absorbe du CO&sub2; par photosynthèse. Un m³ de bois stocke environ 900 kg de CO&sub2;. Tant que le bois est utilisé dans un meuble ou une menuiserie (et non brûlé), ce carbone reste stocké.

À retenir

Empreinte carbone = masse × facteur d'émission
Bois : ~0,5 kg CO&sub2;/kg — Aluminium primaire : ~8,0 kg CO&sub2;/kg
L'aluminium recyclé est 8 fois moins polluant que l'aluminium primaire
Le bois stocke du carbone (puits de carbone) tant qu'il n'est pas brûlé

Exercices

Exercice 1 Calculer une empreinte carbone (guidé) Socle

Calculer l'empreinte carbone de fabrication pour chaque élément :

a) 10 kg de chêne massif : \(E = 10 \times 0{,}5 = \ldots\) kg CO&sub2;eq
b) 5 kg d'aluminium primaire : \(E = \ldots\) kg CO&sub2;eq
c) 8 kg de PVC : \(E = \ldots\) kg CO&sub2;eq
d) 20 kg de verre : \(E = \ldots\) kg CO&sub2;eq

Correction :
a) \(10 \times 0{,}5 = 5\) kg CO&sub2;eq
b) \(5 \times 8{,}0 = 40\) kg CO&sub2;eq
c) \(8 \times 3{,}1 = 24{,}8\) kg CO&sub2;eq
d) \(20 \times 1{,}2 = 24\) kg CO&sub2;eq

Exercice 2 Classer les matériaux (guidé) Socle

Classer les matériaux du moins polluant au plus polluant (fabrication) :

Aluminium primaire — Bois massif — PVC — Acier — Aluminium recyclé

Correction :
Bois massif (0,5) < Alu recyclé (1,0) < Acier (2,3) < PVC (3,1) < Alu primaire (8,0)

Exercice 3 Comparer bois et alu pour un volet (guidé) Socle

Un volet battant en bois pèse 12 kg. Le même volet en aluminium pèse 8 kg.

1. Calculer l'empreinte carbone du volet bois.
2. Calculer l'empreinte carbone du volet aluminium (primaire).
3. Lequel est le plus écologique ? Combien de fois plus polluant est l'autre ?

Correction :
1. Bois : \(12 \times 0{,}5 = 6\) kg CO&sub2;eq
2. Alu : \(8 \times 8{,}0 = 64\) kg CO&sub2;eq
3. Le bois est beaucoup plus écologique. L'aluminium émet \(64/6 = 10{,}7\) fois plus de CO&sub2;.

Exercice 4 Aluminium primaire vs recyclé (guidé) Socle

Un cadre de fenêtre en aluminium pèse 15 kg.

1. Calculer l'empreinte carbone en aluminium primaire (f = 8,0).
2. Calculer l'empreinte carbone en aluminium recyclé (f = 1,0).
3. Quel est le gain en kg CO&sub2;eq ? En pourcentage ?

Correction :
1. Primaire : \(15 \times 8{,}0 = 120\) kg CO&sub2;eq
2. Recyclé : \(15 \times 1{,}0 = 15\) kg CO&sub2;eq
3. Gain : \(120 - 15 = 105\) kg CO&sub2;eq soit \(105/120 \times 100 = 87{,}5\) % de réduction.

Exercice 5 Bilan carbone d'une fenêtre complète Standard

Une fenêtre complète en bois est composée de :
• Cadre en chêne massif : 25 kg
• Double vitrage : 30 kg
• Quincaillerie acier : 2 kg

1. Calculer l'empreinte carbone de chaque composant.
2. Calculer l'empreinte totale de la fenêtre.
3. Quel composant contribue le plus aux émissions ? Quel pourcentage du total ?

Correction :
1. Cadre : \(25 \times 0{,}5 = 12{,}5\) kg CO&sub2;eq
Vitrage : \(30 \times 1{,}2 = 36\) kg CO&sub2;eq
Quincaillerie : \(2 \times 2{,}3 = 4{,}6\) kg CO&sub2;eq
2. Total : \(12{,}5 + 36 + 4{,}6 = 53{,}1\) kg CO&sub2;eq
3. Le vitrage contribue le plus : \(36/53{,}1 \times 100 = 67{,}8\) % du total.

Exercice 6 20 fenêtres : bois vs aluminium Standard

On reprend la mise en situation. Pour 20 fenêtres identiques :

Composant	Fenêtre bois	Fenêtre alu
Cadre	25 kg chêne	15 kg alu primaire
Vitrage	30 kg verre	30 kg verre
Quincaillerie	2 kg acier	2 kg acier

1. Calculer l'empreinte carbone d'une fenêtre bois et d'une fenêtre alu.
2. Calculer l'empreinte totale pour les 20 fenêtres dans chaque cas.
3. Calculer l'économie de CO&sub2; réalisée en choisissant le bois.
4. Convertir en tonnes de CO&sub2;.

Correction :
1. Fenêtre bois : \(12{,}5 + 36 + 4{,}6 = 53{,}1\) kg CO&sub2;eq
Fenêtre alu : \(15 \times 8 + 36 + 4{,}6 = 120 + 36 + 4{,}6 = 160{,}6\) kg CO&sub2;eq

2. 20 fenêtres bois : \(20 \times 53{,}1 = 1\,062\) kg CO&sub2;eq
20 fenêtres alu : \(20 \times 160{,}6 = 3\,212\) kg CO&sub2;eq

3. Économie : \(3\,212 - 1\,062 = 2\,150\) kg CO&sub2;eq
4. \(2\,150 / 1\,000 = 2{,}15\) tonnes de CO&sub2; économisées.

Exercice 7 Équivalence en kilomètres parcourus Standard

Une voiture émet en moyenne 120 g de CO&sub2; par km.

1. Convertir 120 g/km en kg/km.
2. On a économisé 2 150 kg de CO&sub2; en choisissant le bois (exercice 6). À combien de kilomètres en voiture cela correspond-il ?
3. À combien d'allers-retours Paris–Marseille (780 km l'aller) cela équivaut-il ?

Correction :
1. \(120\) g/km = \(0{,}120\) kg/km
2. \(2\,150 / 0{,}120 = 17\,917\) km
3. Un aller-retour = \(2 \times 780 = 1\,560\) km. \(17\,917 / 1\,560 = 11{,}5\) allers-retours → environ 11 Paris-Marseille en voiture.

Exercice 8 Stockage carbone du bois Approfondissement

Un m³ de bois stocke environ 900 kg de CO&sub2;. La masse volumique du chêne est de 720 kg/m³.

1. Calculer la masse de CO&sub2; stockée par kg de chêne : \(900 / 720 = \ldots\) kg CO&sub2;/kg bois.
2. Pour 20 fenêtres bois (cadre de 25 kg chacune), calculer la masse totale de bois.
3. Calculer le CO&sub2; stocké dans les 20 cadres bois.
4. Comparer ce stockage avec les émissions de fabrication (exercice 6). Le bilan global est-il positif ou négatif pour le climat ?

Correction :
1. \(900 / 720 = 1{,}25\) kg CO&sub2;/kg bois
2. \(20 \times 25 = 500\) kg de chêne
3. \(500 \times 1{,}25 = 625\) kg CO&sub2; stocké
4. Émissions fabrication bois (cadre seul) : \(20 \times 12{,}5 = 250\) kg CO&sub2;eq. Stockage : 625 kg. Bilan net : 625 − 250 = +375 kg CO&sub2; → les fenêtres bois stockent plus de CO&sub2; qu'elles n'en émettent à la fabrication. Le bois est un puits de carbone.

Exercice 9 Bois vs PVC vs aluminium — analyse complète Approfondissement

Un client hésite entre trois matériaux pour 10 fenêtres standard :

	Bois chêne	PVC	Alu primaire
Masse cadre	25 kg	20 kg	15 kg
Prix unitaire	450 €	300 €	550 €
Durée de vie	50 ans	30 ans	40 ans

1. Calculer l'empreinte carbone des 10 cadres pour chaque matériau (sans le vitrage).
2. Calculer le coût total pour les 10 fenêtres.
3. Calculer le coût par année de vie (€/an) pour chaque matériau.
4. Quel matériau est le meilleur compromis écologique ET économique sur la durée ?

Correction :
1. Bois : \(10 \times 25 \times 0{,}5 = 125\) kg CO&sub2;eq
PVC : \(10 \times 20 \times 3{,}1 = 620\) kg CO&sub2;eq
Alu : \(10 \times 15 \times 8{,}0 = 1\,200\) kg CO&sub2;eq

2. Bois : \(10 \times 450 = 4\,500\) € PVC : \(10 \times 300 = 3\,000\) € Alu : \(10 \times 550 = 5\,500\) €

3. Bois : \(4\,500 / 50 = 90\) €/an PVC : \(3\,000 / 30 = 100\) €/an Alu : \(5\,500 / 40 = 137{,}5\) €/an

4. Le bois est le meilleur compromis : le moins polluant (125 kg CO&sub2;) ET le moins cher sur la durée (90 €/an). Le PVC est bon marché à l'achat mais plus polluant et moins durable.

Exercice 10 Rédiger un argument commercial écologique Approfondissement

En vous appuyant sur les résultats des exercices précédents, rédiger un court argumentaire (5 à 8 lignes) qu'un menuisier agenceur pourrait utiliser pour convaincre un client de choisir des menuiseries bois plutôt qu'aluminium. L'argumentaire doit contenir :

• Au moins deux données chiffrées
• La notion de puits de carbone
• Un argument sur la durée de vie

Exemple de correction :
« Nos menuiseries en chêne massif sont un choix écologique et durable. La fabrication d'un cadre bois n'émet que 12,5 kg de CO&sub2;, contre 120 kg pour un cadre aluminium — soit 10 fois moins d'émissions. De plus, le bois est un puits de carbone : chaque kilogramme de chêne stocke 1,25 kg de CO&sub2; pendant toute la durée de vie du produit. Avec une durée de vie de 50 ans (contre 30 à 40 ans pour le PVC et l'aluminium), nos fenêtres bois sont aussi les plus économiques sur le long terme : 90 €/an contre 100 à 137 €/an pour les alternatives. Choisir le bois, c'est investir pour le climat et pour votre portefeuille. »