Agility of matter transformation processes under uncertain demand and supply : application to biomass processing
Agilité de la chaîne de transformation de la matière dans un contexte d'approvisionnement et de demande instables : application à la biomasse
Résumé
In an unstable industrial context where supply and demand are uncertain, process industries are pushed to transform their production systems. This challenge is part of a global transition integrating the requirements of sustainable development and driven by strong trends. Indeed, this transformation have to take into account the notion of services that is becoming a well-established feature in industry. In addition, the intensification of digitalization driven by Industry 4.0 technologies creates new perspectives for the organization of production means. To this end, the scientific communities of Process Engineering, such as the French Society of Process Engineering, agree on the development of a Factory of the Future, for which there are different issues to reach. As well as developing an approach integrating the circular economy, the process industry of tomorrow will be digital and virtual. It will have to adapt the entire production system to fluctuations of its environment, while considering social acceptability. In this perspective, current initiatives propose solutions based mainly on the flexibility of unit operations as well as the modularity of the process for a fixed raw material and/or final product. This leads to significant investments in laboratory pilots or in the design of manufacturing units. To overcome these difficulties, the agility of production systems appears as a solution, going beyond the concepts of modularity and flexibility that have been already implemented in this field. However, there is a lack of conceptualization and implementation methods of agility in the discipline of Process Engineering. This thesis aims to fill this gap by proposing a methodological framework for bringing agility to the entire chain of matter transformation. Thus, agility, as proposed, allows to understand not only the dynamics of the process in its environment but also to mobilize adapted production means, in case of fluctuations. The objective of this thesis work is to build a matter transformation chain supported by a virtual factory resulting from the collaboration of services offered by actors at the scale of a territory. A transformation service allows to realize all or part of the steps of the required process, and is selected according to the needs. The process is decentralized by relying on existing facilities in order to adapt to the variability and dispersion of the offer (implementation, operation). In this perspective, the first step of this thesis work consists in designing a meta-model of the process environment (actors, services, context, objectives and performance). A second meta-model is then proposed to represent the knowledge on the processes described in the literature. On the basis of the previous results, the third step focuses on the creation of an algorithm for deducing the matter transformation chain, including the logistic services needed for its proper realization. This algorithm led to the realization of a software proof of concept. The use of this methodological and tooling framework will be illustrated in the case of biomass transformation, using realistic data. Indeed, biorefinery is one of the main ways proposed to lead the energy transition. However, the current fixed and highly specialized biomass processing system faces a high variability due to several internal and external constraints (quality, quantity, purity, etc.). To cope with this instability, agility is needed both in terms of the process and the actors and logistics networks.
Dans un contexte industriel instable où l’offre et la demande sont incertaines, les industries de procédés sont poussées à transformer leurs systèmes de production. Ce défi s’inscrit dans une transition globale intégrant les exigences liées au développement durable et portée par des tendances fortes. En effet, cette transformation doit tenir compte de la notion de services qui s’installe durablement dans l’industrie. Par ailleurs, l’intensification de la digitalisation impulsée par les technologies de l’Industrie 4.0 créé de nouvelles perspectives d’organisation des moyens de production. À cet effet, les communautés scientifiques du Génie des Procédés, telle que la Société Française du Génie des Procédés, s’accordent pour le développement d’une Usine du Futur. Les enjeux auxquels elle devra répondre sont multiples. Non contente de développer une approche incluant l’économie circulaire, l’industrie de procédés de demain sera numérique et virtuelle. De plus, elle devra adapter l’ensemble du système de production aux fluctuations de son environnement, tout en considérant l’acceptabilité sociale. Dans cette perspective, les initiatives actuelles proposent des solutions reposant majoritairement sur la flexibilité des opérations unitaires ainsi que la modularité du procédé pour une matière première et/ou un produit final fixé. Cela induit des investissements conséquents que ce soit dans les pilotes de laboratoire ou encore la conception d’unité de fabrication. Pour remédier à ces difficultés, l’agilité des systèmes de production apparaît comme une solution, dépassant les concepts de modularité et de flexibilité déjà mis en oeuvre dans ce domaine. Toutefois, il est constaté une absence de conceptualisation et de méthodes de mise en oeuvre de l’agilité dans la discipline du Génie des Procédés. Ces travaux de thèse visent à combler ce manque en proposant un cadre méthodologique outillé pour l’apport d’agilité à l’ensemble de la chaîne de transformation de la matière. Ainsi l’agilité, telle que proposée, permet de comprendre non seulement la dynamique du procédé dans son environnement mais aussi de mobiliser des moyens de production adaptés, en cas de fluctuations. L’objectif de ces travaux de thèse est de construire une chaîne de transformation de la matière supportée par une usine virtuelle résultant de la collaboration de services offerts par des acteurs à l’échelle d’un territoire. Un service de transformation permet de réaliser tout ou partie des étapes du procédé retenu, et est sélectionné selon les besoins. Le procédé est décentralisé en s’appuyant sur des installations existantes afin de s'adapter à la variabilité et à la dispersion de l'offre (mise en oeuvre, exploitation). Dans cette perspective, la première étape de ces travaux de thèse consiste à concevoir un méta-modèle de l’environnement du procédé (acteurs, services, contexte, objectifs et performance). Un second méta-modèle est ensuite proposé pour représenter la connaissance sur les procédés décrits dans la littérature. Sur la base des résultats précédents, la troisième étape s’intéresse à la création d'un algorithme de déduction de la chaîne de transformation de la matière, intégrant les services logistiques nécessaires à sa bonne réalisation. Cet algorithme a donné lieu à la réalisation d’une preuve de concept logicielle. L’usage de ce cadre méthodologique et outillé sera illustré dans le cas de la transformation de la biomasse, à l’aide de données réalistes. En effet, le bioraffinage est l’une des principales voies proposées pour mener la transition énergétique. Cependant, le système actuel de traitement de la biomasse, figé et hautement spécialisé, doit faire face à une grande variabilité en raison de plusieurs contraintes internes et externes (qualité, quantité, pureté, etc.). Pour faire face à cette instabilité, il est nécessaire de faire preuve d'agilité tant en termes de procédé de transformation que d’acteurs et de réseaux logistiques.
Origine : Version validée par le jury (STAR)