Vers l’éco-conception de technologies émergentes : prise en compte du changement d’échelle dans l’analyse de cycle de vie

Toward the eco-design of emerging technologies : how to integrate upscaling in life cycle assessment (LCA)?

• Auteur / Autrice : Lucas Riondet
• Direction : Peggy Zwolinski, Maud Rio, Véronique Perrot-Bernardet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie industriel : conception et production
• Date : Soutenance le 11/07/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble, Isère, France ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sciences pour la conception, l'optimisation et la production (Grenoble, Isère, France ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Wurtz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Luc Salvo, Yann Leroy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Catherine Azzaro-Pantel, Nicolas Perry
• DOI : 10.70675/7b8302a0za795z4d5fzb778z0a8d7f74ac68

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoconception

Analyse du cycle de vie

Transition écologique

Innovation

Mots clés libres

Éco-Conception

Changement d'échelle

Analyse de cycle de vie

Conception intégrée

Technologies émergentes

Prospective

Eco-Design

Upscaling

Life cycle assessment

Integrated design

Emerging technologies

Foresight

Résumé

Les sciences environnementales ont établi la non-soutenabilité des activités humaines dans les sociétés modernes. Ce constat est notamment formalisé par le cadre des limites planétaires. Il implique de transformer nos sociétés industrialisées en engagean tde nécessaires transitions écologiques.L’aphorisme « changement d’échelle de technologie émergente » est employé en ingénierie pour représenter les enjeux de développement et d’industrialisation de technologies pour la transition écologique. Les énergies renouvelables ou les véhicules électriques en sont des illustrations concrètes. En revanche il n’existe pas de définition explicite caractérisant le « changement d’échelle » en science de la conception, ni d’analyse des liens entre le phénomène de « changement d’échelle de technologie »et les ambitions de soutenabilité environnementale. La thèse vise donc à répondre à la question « Comment aider les concepteurs à prendre en compte le changement d’échelle de technologies émergentes dans une approche de soutenabilité et d’intégration en conception? ».La méthode pour y répondre a consisté à réaliser dans un premier temps une revue de la littérature pour identifier les invariants qui caractérisent le changement d’échelle en ingénierie, incluant l’ingénierie environnementale. Après cette première étape de caractérisation, une attention particulière a été portée sur les pratiques d’Analyse de Cycle de Vie (ACV), en développement ou opérationnelles, potentiellement adaptées pour traiter les spécificités du changement d’échelle du point de vue environnemental.Enfin, une approche par cas d’étude a été utilisée pour déterminer les points d’intérêtset les difficultés d’intégration dans un processus d’éco-conception de technologieémergente dans le secteur de l’énergie. Les systèmes photovoltaïques sont développés comme illustration fil rouge dans cette thèse.En termes de résultats, l’étude des invariants du phénomène de changement d’échellede technologie émergente a permis de démontrer qu’il se compose de plusieurs facettescaractérisées en cinq archétypes : maturer (scaling-up), massifier (mass-producing),déployer (deploying, reaching a level), intégrer (integrating into a complex system) etlimiter environnementalement (down-limiting). Cette approche par archétype révèle quele changement d’échelle n’est pas construit sur une vision d’analyse d’impacts environnementaux. Il découle en grande partie de pratiques de conception et de logiquesindustrielles qui ne visent pas directement la soutenabilité. En revanche, des recommandations pour les concepteurs portant sur le choix de modes d’ACV (prospectif, conséquentiel, régionalisé, absolu) adapté ont été proposées pour chacun des archétypes.Pour leur mise en œuvre, une méthode intégrée d’analyse environnementale du changement d’échelle agrégeant les cinq archétypes a été développée et illustrée. Cette méthode, nommée EAU pour Environmental Assessement for Upscaling, s’adresse à uneéquipe de conception faisant collaborer un ingénieur expert technique et un ingénieur« cycle de vie », garant des principes d’éco-conception. D’autres expertises peuvent yêtre ajoutées. Enfin, des travaux d’approfondissement sur les archétypes 3 (deploying)et 5 (down-limiting) ont servi de supports pour l’opérationnalisation en conception desarchétypes en explicitant de bonnes pratiques pour une équipe de conception.En conclusion, cette thèse présente des apports conceptuels, méthodologiques etopérationnels supportant l’intégration en conception d’aspects environnementaux associés au phénomène de changement d’échelle de technologies émergentes. Elleouvre en perspective de nouvelles pratiques de conception reposant sur une vision socio-technique du cycle de vie dans une forte pluridisciplinarité, incluant par exemple,des approches par scénarii prospectifs ancrés dans une perspective de soutenabilité environnementale absolue.

The environmental sciences have established the unsustainability of human activities in modern societies. This statement, notably formalized by the framework of planetary boundaries, implies transforming our industrialized societies through necessary ecological transitions.The aphorism ''upscaling of emerging technologies'' refers in engineering to the challenges of developing and industrializing technologies for the ecological transition. Renewable energies and electric vehicles are concrete examples. Nevertheless, there is no explicit definition of ''upscaling'' in design science, nor any analysis of the links between the phenomenon of ''upscaling of technology'' and aspirations for environmental sustainability. My thesis therefore aims to answer the question ''How can designers be helped to take into account the upscaling of emerging technologies in a sustainability approach?''.To answer this question, first, a literature review was carried out. This literature review aimed to identify the invariants characterizing the upscaling in engineering, including environmental engineering. Second, specific attention was paid to Life Cycle Assessment (LCA) practices, whether in development or operational, potentially suitable to address the specificities of the upscaling from an environmental perspective. Lastly, case-based reasoning was applied to determine the points of interest and the difficulties of integrating an emerging technology in the energy sector into an eco-design process. Photovoltaic systems are used as a common thread in this thesis.My research into the invariants of the emerging technology upscaling phenomenon has shown that this phenomenon is made up of several facets characterized by five archetypes: maturing (or scaling-up), mass-producing, deploying (or reaching a level), integrating into a complex system and limiting based on environmental carrying capacities (or down-limiting). This approach by archetype reveals that the upscaling is not built on a vision of environmental impact analysis. Upscaling studies mainly arise from design practices and industrial rationales, that are not usually driven directly by sustainability principles. To better support designers in investigating sustainability issues, some recommendations on the choice of suitable LCA modes (prospective, consequential, regionalized, absolute) have been proposed for each of the archetypes. For their implementation, an integrated method for environmental assessment of upscaling aggregating the five archetypes has been developed and illustrated. This method is named Environmental Assessment for Upscaling (EAU). EAU is addressed to design teams composed of a technical expert engineer and a “life cycle “engineer, guaranteeing the principles of eco-design. Other forms of expertise can be added to the design team. Finally, in-depth work on archetypes 3 (deploying) and 5 (down-limiting) supported the operationalisation of those archetypes during design, by clarifying good practices to design teams.To summarize, this thesis contributes at a conceptual, methodological and operational level to support the design integration of environmental aspects associated with the upscaling of emerging technologies. It paves the way for new design practices based on a socio-technical vision of the life cycle in a deeply multi-disciplinary way, including, for instance, prospective scenario approaches underpinned by a perspective of absolute environmental sustainability.