Comment décarboniser les laboratoires, sans nuire à la science?

« Niveau de confinement élevé ». Cette phrase peut provoquer de l’anxiété avant même d’en saisir le sens, et les détails sont peu rassurants. Un laboratoire à haut niveau de confinement fait partie d’une catégorie de laboratoires où les scientifiques font des diagnostics ou des recherches sur des agents pathogènes particulièrement mortels. Ces laboratoires doivent respecter des normes de contrôle les plus strictes, justement parce que la manipulation sécuritaire des virus est une question de vie ou de mort. Résultat : il y a peu de marge de manœuvre pour changer les façons de faire afin de respecter les normes environnementales.

Reconnaissant la nécessité de réduire ses émissions de carbone, un tel laboratoire, client de WSP, est en évolution constante pour être plus efficace et réduire sa consommation d’eau et d’énergie. Mais selon Leslie Gartner, vice-président principal du secteur Sciences et technologie, à Atlanta, le tout premier critère de ce client n’est pas l’efficacité énergétique, mais bien le respect des normes de confinement. 

Que se passe-t-il lorsque la marche vers la carboneutralité ne cadre pas, ou difficilement, avec les activités du laboratoire ?  qui permettent aussi l’avancement de la santé, du bien-être et des bonnes conditions sur Terre? Pour les laboratoires scientifiques, la question n’est pas du tout hypothétique. La nature des travaux menés dans les laboratoires place parfois la lutte aux changements climatiques en opposition à d’autres considérations tout aussi importantes, qui vont de la recherche de traitements contre les maladies mortelles à l’invention de matériaux qui neutralisent les polluants ou qui viennent contrer les dommages à l’environnement. 

Devant de tels scénarios, comment pouvons-nous concilier des priorités conflictuelles entre les cibles de carboneutralité et l’avancement des sciences ?

Pourquoi les laboratoires sont-ils si difficiles à décarboniser?

Pour trouver la réponse, il faut commencer par comprendre les sources des émissions de gaz à effet de serre dans les laboratoires et la raison pour laquelle la gestion de ces sources, dans un laboratoire, est différente de celle de tout autre bâtiment commercial. 

Au départ, il y a les émissions de carbone intrinsèques qui proviennent de la construction du bâtiment et des matériaux qui le composent. Pour les laboratoires, de grandes quantités de béton, d’acier et de verre sont habituellement utilisées. Bien que des solutions de remplacement, comme le bois, sont de plus en plus courantes dans d’autres types de bâtiments, les environnements des laboratoires doivent rester stériles, ne peuvent pas subir de fluctuations d’humidité ou de température et doivent respecter de nombreuses autres conditions qui peuvent être difficiles à satisfaire sans ces matériaux émetteurs de gaz à effet de serre.  

Il y a aussi le carbone lié aux activités, produit en grande quantité dans les laboratoires qui fonctionnent 24 heures par jour et qui doivent satisfaire à des protocoles scientifiques rigoureux. Les plus grands producteurs d’émissions sont les systèmes qui utilisent de l’énergie en grande quantité : chauffage ou climatisation des établissements, équipements de laboratoire spécialisés et systèmes d’élimination des déchets sur place. Les fuites des systèmes de réfrigération sont par ailleurs une source supplémentaire d’émissions de gaz à effet de serre; et ces fuites, malgré le volume réduit, ont un impact disproportionné sur le réchauffement climatique.

Lorsque les architectes ou les ingénieurs en mécanique, en électricité, en structure, en plomberie et en acoustique, conçoivent ou rénovent des laboratoires et des centres de recherche écoresponsables, ils sont confrontés à tous les obstacles inhérents à la construction traditionnelle, auxquels s’ajoutent les complexités supplémentaires liées à la sécurité des scientifiques, à la prévention de la contamination et aux mesures de contrôle de la qualité de manière à ne pas compromettre l’intégrité de la recherche.

Le défi est toujours différent puisque chaque laboratoire est unique! Chacun est hautement spécialisé en fonction des activités qui y sont menées. Certes, dans un institut de recherche universitaire qui ne manipule pas de matières infectieuses ou dangereuses, il est plus facile d’atteindre la carboneutralité, en utilisant par exemple de l’électricité de source renouvelable plutôt que d’un combustible fossile. Mais attention, il faut garder en tête que ces installations ont de grands besoins énergétiques, et il faut s’assurer que les combustibles de remplacement sont en mesure de fournir les niveaux de puissance nécessaires. Leslie Gartner indique par exemple que le gaz demeure utilisé pour la stérilisation justement parce que l’électricité n’est pas aussi efficace. Il ajoute que c’est au cœur même des bâtiments que les changements sont les plus importants, dans les systèmes d’exploitation et de production de l’électricité et de l’énergie.

Les laboratoires peuvent-ils se passer des énergies fossiles?

La question des combustibles de remplacement est souvent soulevée comme une contrainte à des pratiques plus écoresponsables dans les laboratoires, plus particulièrement dans certains secteurs. M. Davy souligne que les gouvernements peuvent exiger l’utilisation de certains types d’énergie dans les laboratoires des industries plus réglementées, comme les industries pharmaceutiques. Les variables à prendre en compte peuvent comprendre des contrôles serrés de la température, des conditions ambiantes des laboratoires où les travailleurs manipulent des substances dangereuses, ou des exigences de salles blanches qui prévoient de fréquents changements de l’air ou un faible taux d’humidité relative. Toutefois, ces lignes directrices historiques et souvent arbitraires sont remises en question pour déterminer si la même qualité de produit peut être obtenue en utilisant moins d’énergie. 

Bien sûr, il sera toujours plus facile d’atteindre la carboneutralité en partant d’une page blanche, mais il est possible d’y arriver autrement. Selon M. Gartner, il peut être envisageable de réduire la quantité d’énergie nécessaire, d’opter pour de nouveaux mélanges de combustibles, d’augmenter l’utilisation des systèmes d’électrification ou de réduire l’emploi de réfrigérants. « Dans les bâtiments existants, atteindre la carboneutralité passe par la mise en place d’une stratégie carboneutre pour l’énergie et l’eau », explique-t-il.

Il souligne également le travail de l’International Institute for Sustainable Laboratories, qui utilise une base de données sectorielle pour maintenir un outil d’analyse comparative. Le Laboratory Benchmarking Tool permet ainsi aux laboratoires de comparer leur consommation énergétique avec la consommation d’installations semblables. Les données de référence obtenues aident à déterminer les possibilités, comme le remplacement des congélateurs par des modèles plus récents, plus écoénergétiques, ce qui peut même réduire le nombre de congélateurs nécessaires pour satisfaire aux exigences de la recherche.

Ainsi, des investissements initiaux liés au développement durable peuvent être compensés par des économies à plus long terme, non seulement sur le plan de l’énergie, mais également sur le plan de l’équipement et de l’entretien. On oublie parfois que le développement durable s’aligne souvent avec le respect des exigences de qualité et de sécurité en réduisant la dépendance aux procédés énergivores. Dans le secteur pharmaceutique, par exemple, le passage de la production en lot à la production en continu permet d’améliorer la qualité du produit et de réduire l’empreinte environnementale de l’installation. 

C’est là l’ABC de la décarbonisation dans les laboratoires. « L’analyse de rentabilité pour arriver à la carboneutralité est de mieux en mieux comprise et articulée. Nos clients ont cet objectif en tête et ils savent qu’ils doivent y arriver, même s’ils ne savent pas nécessairement de quelle façon », dit Claire Gott. Comment décrire le processus? Leslie Gartner recommande de commencer par des analyses comparatives des objectifs et des échéanciers. Il donne l’exemple d’un client de WSP qui ne pouvait pas atteindre la carboneutralité à court terme et qui a donc étudié la possibilité d’y arriver dans 10, 15 ou 20 ans. L’équipe a évalué les technologies actuelles et les technologies en voie d’émergence, ainsi que d’autres méthodes de décontamination ou des sources d’énergie émergentes qui ne sont peut-être pas encore appropriées pour toutes les installations de laboratoires. La réflexion visant les modifications immédiates et les solutions qui pourraient être déployées à moyen terme a aidé à définir les paramètres budgétaires de financement de ces éventuels changements.

« Le processus initial est assez facile à entreprendre, malgré ce qu’on peut en penser », dit Leslie Gartner. Il ajoute qu’en commençant par ce qui est familier, on peut arriver à des résultats inespérés.

Les technologies émergentes 

En réalité, l’objectif n’est pas seulement d’atteindre certaines cibles environnementales, mais de voir la situation dans une perspective stratégique afin que le laboratoire soit « conçu pour l’avenir ». Chris Davy explique la façon dont ce concept a été appliqué à un projet pour un des plus grands fabricants œuvrant dans le secteur des diagnostics. WSP a ainsi examiné l’impact de la chaîne d’approvisionnement sur ses opérations, tenu compte des défis posés par le système de distribution et des impacts des changements climatiques dans différentes régions, puis a modélisé différents scénarios pour les aider à accroître leur résilience à de futures perturbations. 

L’adoption d’une approche flexible, à long terme, est particulièrement importante pour les bâtiments destinés à des activités scientifiques, parce que les technologies qui pourraient devenir essentielles ne sont peut-être pas viables au moment de la conception. L’élimination des déchets, un enjeu climatique important dans les laboratoires, devient ainsi un banc d’essai idéal pour cette approche « conçu pour l’avenir ». Traditionnellement, on a privilégié l’incinération à des températures pouvant atteindre 1 800 °C, en utilisant le gaz naturel comme combustible. Les solutions de rechange proposées comprennent l’hydrolyse chimique et les fours alimentés à l’hydrogène, qui sont encore à l’étape de l’expérimentation. Pour Chris Davy, l’incinération reste un procédé valide pour le traitement des déchets, et le passage à l’hydrogène rend le tout plus écologique. « Nous travaillons actuellement sur plusieurs projets liés à l’utilisation de l’hydrogène, ainsi que sur des solutions de capture et de stockage du carbone, qui pourront éventuellement être appliquées aux laboratoires dans le futur », explique-t-il.

Une autre dimension est aussi propice à une analyse approfondie : les données générées par les laboratoires, qui peuvent contribuer à une gestion intelligente et écoresponsable des bâtiments. Grâce à ces données, il est possible d’atteindre et de maintenir des conditions optimales de pression atmosphérique, de température intérieure, ou d’éclairage pour les expériences réalisées en laboratoire. Le problème, c’est que les différents systèmes ne communiquent pas nécessairement entre eux, ou ils le font de façon limitée. Or pour régler cet enjeu, il faut adopter une nouvelle approche d’interopérabilité, une approche qui aborde de front les risques pour la sécurité. Nicole Hammer, directrice des services-conseils en innovation de WSP pour la région centrale des États-Unis, souligne que cet aspect est soulevé dans chaque collaboration avec les clients. « Nous devons nous assurer que dès que nous commençons à exploiter la puissance des données disponibles, nous le faisons de manière à respecter les normes du client, et ce, tant du côté du réseau que de la cybersécurité », dit-elle.

Nicole Hammer souligne que l’intégration des données n’est pas différente des autres champs de pratique touchés par la carboneutralité. Il faut bien comprendre et cibler les résultats souhaités par le client pour concevoir un bâtiment qui soit capable de capturer les données qui permettront de suivre et mesurer les progrès réalisés. Encore là, l’élaboration de la solution doit tenir compte des capacités d’adaptation dans le futur afin que le laboratoire ne soit pas limité dans sa croissance ou sa capacité de changement au fil du temps. 

La chimie carboneutre

Bien que les innovations soient envisageables pour les installations existantes, les nouveaux laboratoires sont plus propices à la mise en place de cibles plus ambitieuses en matière de carboneutralité. À l’Université de Nottingham, au Royaume-Uni, GSK a ainsi financé un laboratoire de chimie carboneutre, qui est construit à partir de matériaux naturels et qui satisfait à ses besoins énergétiques à partir de sources d’énergie renouvelable comme l’énergie solaire et la biomasse durable. Ce laboratoire a ouvert en 2017, et l’énergie excédentaire générée viendra compenser l’empreinte carbone intrinsèque de sa structure en 25 ans. 

Et tout près, à Cambridge, AstraZeneca s’est fixé un objectif de carboneutralité d’ici deux à trois ans pour son nouveau campus de recherche et développement. Pour ce faire, les systèmes de chauffage et de refroidissement ont été complètement repensés, et la plus grande thermopompe géothermique d’Europe a été installée. « Il est possible d’atteindre la carboneutralité en investissant tôt avec cette optique en tête, et en ciblant chaque élément du bâtiment, ce qui inclut la structure, comment il est construit et quelles sont les sources d’énergie utilisées », avance Chris Davy. Selon lui, il serait même possible d’aller plus loin en adoptant une approche holistique.

Il ajoute que les organismes de recherche n’ont pas forcément besoin des budgets des grandes entreprises pour financer un projet qui aura un impact important. Il donne l’exemple de l’Université de Glasgow, qui a entrepris la réfection complète des laboratoires de chimie situés dans un bâtiment patrimonial, le Joseph Black. Les travaux ont permis de réaliser d’importantes réductions de la consommation d’énergie et d’eau. « Tout est possible s’il y a le leadership et l’ambition nécessaires », lance M. Davy. Et selon lui, il s’agit là du plus important dénominateur commun.