Développement d'une plateforme d'IA pour améliorer l'efficacité énergétique et des ressources dans la fabrication industrielle

AI-Platform for Energy and Resource Efficency in Manufacturing

• Auteur / Autrice : Sami Succar
• Direction : Daniel Brissaud
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : GI - Génie Industriel : conception et production
• Date : Inscription en doctorat le 01/02/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sciences pour la conception, l'optimisation et la production (Grenoble)

Mots clés

Mots clés libres

Énergie

Industrie

Production

Ia

Production

Ai

Energy

Industry

Résumé

L'économie et la société européennes ont pour objectif d'être climatiquement neutres d'ici à 2050. Cela signifie qu'il faut parvenir à des émissions nettes nulles pour maintenir l'augmentation de la température moyenne mondiale bien en deçà de 2 °C, au mieux en deçà de 1,5 °C, comme le prévoit l'accord de Paris. Cette vision ambitieuse nécessite des actions de longue haleine dans tous les secteurs [1]. Le secteur industriel est l'une des principales industries européennes qui contribue à la consommation globale d'énergie et à l'empreinte carbone de l'Europe. L'UE a fixé des objectifs globaux pour augmenter l'efficacité énergétique d'au moins 32,5 % avant 2030 [2] et les États-Unis ont adopté la loi sur les économies d'énergie et la compétitivité industrielle en 2013 pour lutter contre le changement climatique [3]. Le secteur industriel est l'un des plus grands contributeurs et fait donc l'objet d'une attention particulière et d'une grande importance pour les gouvernements et les organismes de réglementation. Afin d'atteindre l'objectif ambitieux de neutralité climatique d'ici 2050, les constructeurs automobiles sont également poussés à réduire l'intensité énergétique de leur production et à diminuer leurs émissions de CO2. Dans l'industrie automobile, les coûts énergétiques représentent environ 9 à 12 % des coûts totaux de fabrication des voitures [4]. Par conséquent, les constructeurs automobiles ne sont pas seulement concernés par la demande d'une production plus durable de la part de leurs parties prenantes, mais peuvent également bénéficier d'une réduction des coûts en diminuant leur consommation d'énergie. Cela rend la production durable particulièrement intéressante pour les constructeurs automobiles dans des environnements de marché compétitifs. Une solution pour introduire une production plus durable dans l'industrie automobile est basée sur la réalisation de stratégies de décarbonisation. L'un des principaux aspects concerne les stratégies de réduction du CO2. Des mesures d'efficacité et de flexibilité énergétiques ainsi que la récupération de la chaleur résiduelle peuvent être utilisées pour réduire la quantité de CO2 émise et la quantité d'énergie consommée. Un autre aspect porte sur les stratégies de substitution. Les moyens possibles de réduire les émissions de CO2 et de rendre la production plus durable sont l'utilisation de carburants alternatifs, une électrification accrue, le changement de vecteur énergétique et l'intégration de sources d'énergie renouvelables [24]. Outre l'intégration des énergies renouvelables sur site, la transition globale du système énergétique, d'un réseau centralisé à un réseau décentralisé d'actifs connectés, offre de nouvelles possibilités à l'industrie automobile pour évoluer vers un concept de production plus durable. L'augmentation de la part des énergies renouvelables dans le mix énergétique, l'introduction de nouvelles technologies de stockage de l'énergie et surtout l'accent mis sur la gestion de la demande sont les facteurs clés pour exploiter des opportunités de revenus supplémentaires et réduire l'empreinte CO2 [5]. Pour de nombreuses entreprises, l'un des principaux défis de l'adaptation d'une production plus durable est l'évaluation de la performance énergétique et environnementale et l'identification des potentiels d'amélioration au niveau d'un système complexe multisite [6]. En conséquence, des méthodes et des outils appropriés sont nécessaires pour soutenir les processus d'analyse et d'amélioration liés à l'énergie au sein de l'entreprise [7]. Outre l'évolution vers une production neutre sur le plan climatique, la numérisation croissante des processus de production et de la construction automobile en général constitue une autre tendance majeure de la construction automobile. La recherche et la pratique industrielle montrent qu'il y a de plus en plus de données disponibles pour aider à numériser la production, mais la recherche et la pratique industrielle montrent également qu'il y a un manque d'utilisation systématique de ces données [8]. Cette thèse combinera l'analyse de données et la connaissance experte de la chaîne de valeur des industries à un niveau multi-échelle. De nouveaux concepts et stratégies seront ensuite développés afin de créer un système d'aide à la décision multi-échelle basé sur une plateforme. Le système d'aide à la décision se concentrera sur les solutions de meilleures pratiques et sur l'utilisation de méthodes de maintenance prédictive automatisée pour l'analyse des prescriptions qui aideront à évaluer les potentiels de décarbonisation dans différents endroits. Les connaissances seront agrégées dans une plateforme et seront ensuite transférées à de nouvelles zones. Il s'agit de la base pour la mise en œuvre d'une production durable et économe en énergie.

Europe's economy and society targets to be climate neutral by 2050. This means achieving net zero emissions to keep the global average temperature increase well below 2 °C, at best below 1,5 °C as set out in the Paris Agreement. This ambitious vision requires long-range actions in all sectors [1]. The industrial sector is one of the key industries in Europe contributing to the overall energy consumption and Europe's carbon footprint. The EU has set headline targets to increase energy efficiency by at least 32.5% before 2030 [2] and the US passed the Energy Savings and Industrial Competitiveness Act in 2013 to tackle climate change [3]. The industrial sector is one of the largest contributors and therefore in special focus and of high importance to governments and regulatory bodies. In order to achieve the ambitious goal of climate neutrality by 2050 also automotive manufacturers are pressured to lower the energy intensity of their production and to reduce their CO2 emissions. In the automotive industry, energy costs account for approximately 9-12% of the total car manufacturing costs [4]. Therefore, car manufacturers are not only affected by the demand for a more sustainable production by its stakeholders but can also benefit from a cost reduction by lowering their energy consumption. This makes a sustainable production especially interesting for car manufacturers in competitive market environments. A solution to introduce a more sustainable production in the car manufacturing industry is based on the realization of decarbonization strategies. One main aspect focusses on CO2 minimization strategies. Energy efficiency and flexibility measures as well as waste-heat recovery can be used in order to reduce the amount of emitted CO2 and reduce the consumed amount of energy. Another aspect focuses on substitution strategies. Possible ways to reduce CO2 emissions and to make production more sustainable is the usage of alternative fuels, increased electrification, switch of the energy carrier and the integration of renewable energy sources [24]. Besides own on-site integration of renewables the overall transition of the energy system, from a centralized to a decentralized network of connected assets, holds new chances for the automotive industry to evolve towards a more sustainable production concept. Increasing the share of renewable energies in the energy mix, introducing new energy storage technologies and especially focusing on demand side management are the key factors for exploiting additional revenue opportunities and lowering the CO2 footprint [5]. For many companies, one main challenge in adapting a more sustainable production is the evaluation of the energetic and environmental performance and the identification of improvement potentials on a complex multi-site system level [6]. Accordingly, suitable methods and tools are needed to support the energy related analysis and improvement processes within the company [7]. Another megatrend in automotive manufacturing besides the development towards a climate neutral production is the increasing digitalization of production processes and automotive manufacturing in general. Research and industrial practice show that there is more and more data available to help digitize the production, but research and industrial practice also show that there is a lack of its systematic use [8]. This thesis will combine data analytics and expert knowledge of the industries value chain on a multiscale level. New concepts and strategies will then be developed in order to create a platform based multiscale decision support system. The decision support system will focus on best practice solutions and use of automated predictive maintenance methods for prescription analysis that will help to evaluate decarbonization potentials in different locations. The knowledge will be aggregated in a platform and then be transferred to new areas. It is the basis for the implementation of a sustainable and energy efficient production.