Eco-conception d’une chaine de traction ferroviaire

L’élaboration de normes et législations en faveur de l’environnement a été parmi plusieurs réactions des états et sociétés pour limiter les dégâts de la pollution. Ces normes visent principalement le secteur industriel puisqu’il est le principal acteur de la pollution. En effet, selon l’Agence De l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie (ADEME), il contribue à 25% des émissions totales des gaz à effets de serre, le secteur du transport, les logements, l’agriculture et la production de l’électricité qui contribuent respectivement à 24% , 20%, 18% et 7% de ces émissions. Avec ces normes en faveur de l’environnement, les pratiques industrielles ont évoluées vers une nouvelle méthode de conception de leurs produits.

La conception telle qu’elle est définie par Hatchuel dans [HAT-94] est un métier complexe qui consiste à déployer et associer dans un temps réduit, avec des ressources limitées, un ensemble de savoir-faire qui permettront d’aboutir à un compromis technique acceptable vis-à-vis de nombreuses contraintes et de critères de performance souvent contradictoires. Elle est en quelques mots un mélange du savoir-faire, savoir comprendre et savoir combiner. Une conception respectueuse de l’environnement nécessite de prendre en compte des contraintes additionnelles qui traduisent les normes environnementales et qui tendent à améliorer la performance environnementale du produit. La nouvelle méthode de conception nommée aussi éco-conception doit intégrer aujourd’hui les impacts environnementaux du produit pour les minimiser, notamment suivant des axes majeurs tels que les matières primaires, l’énergie, les substances, la pollution de l’air, la pollution des sols, la pollution de l’eau et les déchets. L’intégration de ces impacts et la prise en compte des contraintes dans le problème de conception définissent un nouveau problème de conception qui peut être exprimé comme un problème d’optimisation dont la solution optimale est à trouver par le concepteur.

L’optimalité est un concept flou difficilement formalisable, relatif et rarement unifié. Il suffit pour s’en convaincre d’examiner le choix d’un produit par le consommateur. Chaque consommateur choisit ce qu’il considère comme le meilleur et pourtant les choix opérés sont tous différents. Le fait est que, bien souvent, l’optimum est un arbitrage entre des objectifs multiples et conflictuels sous de nombreuses contraintes. Un problème d’optimisation bien posé est donc souvent multi-objectif sous contraintes [TRA-09]. La conception et l’optimisation des produits électromagnétiques impliquent l’élaboration des modèles multiphysiques et multidisciplinaires pour le dimensionnement du dispositif. Cependant, il y a différentes méthodes de modélisation des convertisseurs électromagnétiques. Le choix du type de modèle dépend des objectifs préfixés par le concepteur. La modification des caractéristiques (nombre de variables, nombre de contraintes et type de modèle) d’un problème d’optimisation remet en cause les algorithmes choisis pour sa résolution. Par conséquent, un algorithme choisi pour la conception n’est pas forcément celui qui convient à un problème d’éco-conception.

Contexte de la thèse

Enjeux environnementaux

Changement climatique
Le réchauffement climatique désigne la modification climatique de la terre caractérisée par une augmentation de la température moyenne des océans et de l’atmosphère, sur plusieurs années. Ce phénomène, est dû principalement à l’augmentation de la concentration des gaz à effet de serre dans l’atmosphère. Ces gaz sont cités dans le protocole de Kyoto [KYO-11] et sont : dioxyde de carbone CO2, méthane CH4, les dioxydes d’azote NOx, l’hexafluorure de soufre SF6, les hydrofluorocarbures HFC et les perfluorocarbures PFC.

Le principal acteur de ce phénomène dangereux est l’homme. En effet, depuis les années 50 du vingtième siècle où la révolution de l’industrie mondiale a eu lieu, la concentration des gaz à effet de serre a augmenté de 35% selon les expertises du GIEC [GIE-07] (Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat). L’augmentation de la concentration des gaz à effet de serre dans l’atmosphère a amplifié le réchauffement du globe dont la température a atteint des records selon la NASA [NASA]. Les conséquences d’un réchauffement climatique qui ne serait pas enrayé peuvent être perçues ainsi : une montée du niveau des mers qui entraînerait inondations, migrations et réfugiés climatiques entre autres; une atteinte à la biodiversité et un impact sur les écosystèmes qui aurait des conséquences sur le monde animal et végétal; une diminution des ressources agricoles certaines et l’aggravation du sous-développement et de la crise alimentaire; un accroissement des risques d’événements climatiques extrêmes (sécheresses, écarts de températures réduits, cyclones tropicaux, tornades, etc. …), la liste n’est pas exhaustive [GIE-07].

Epuisement des ressources naturelles et croissance démographique
La planète a connu une croissance démographique exponentielle au XXIème siècle, en passant de 1 milliard à plus de 6 milliards d’habitants et atteindra 9.2 milliards en 2050, selon les géographes [DUM-04]. Cette explosion démographique a engendré une accélération du mode de développement des pays, surtout riches, qui sont devenus très consommateur de ressources naturelles.

Les ressources minières telles que les sources d’énergie fossiles s’épuisent très rapidement. En effet, entre 1970 et 1995, 30% des richesses naturelles de la Terre ont disparues ainsi que 12% des forêts et 30% des écosystèmes marins [FUR-07]. La question qui se pose aujourd’hui, n’est plus de savoir combien nous serons, mais comment nous vivrons à 9.2 milliards d’habitants. Ressources indispensables à la vie humaine, les réserves d’eau diminuent elles aussi de façon trop importante. Cela devient particulièrement inquiétant quand il est déjà connu que la moitié des êtres humains vivent dans une zone où les réserves d’eau douce diminuent. En France, régulièrement victimes de sécheresse, cinq départements ont un approvisionnement en eau préoccupant : le Vaucluse, les Bouches-du-Rhône, le Var, les Deux-Sèvres et la CharenteMaritime [ABC-12].

Santé humaine menacée
La contamination de l’environnement constitue l’un des déterminants essentiels de l’état de santé de l’être humain, en plus du comportement et de la génétique. En effet, parmi les 102 maladies répertoriées par l’organisation mondiale de la santé (OMS), 85 sont liées à la pollution environnementale [ORG-92]. L’aggravement de la situation actuelle a poussée différentes organisations et entreprises mondiales à penser à des remèdes pour sauver la vie humaine sur la planète.

Solution proposée

Face aux conséquences négatives de la pollution, un développement durable s’avère nécessaire. Il correspond à « la capacité à répondre aux besoins des générations présentes sans compromettre celle des générations futures à satisfaire les leurs » comme elle a été définie dans le rapport de Gro Harlem Brundtland intitulé “Our Common Future” et qui fut publié en 1987. Il s’agit d’éviter les dégradations de l’environnement irréversibles et l’épuisement des ressources non-renouvelables afin de préserver la reproduction de la biosphère.

Tous les secteurs d’activité sont concernés par le développement durable : agriculture, habitation et surtout l’industrie qui a subit des pressions des états et des sociétés particulièrement sévères pour réussir le développement durable. En effet, la société est le facteur le plus influençant sur ces trois piliers puisqu’elle représente les électeurs. Pour répondre aux nouvelles exigences des sociétés et des états, le secteur industriel peux développer des axes d’amélioration visant un seul aspect environnemental (monocritère), comme l’efficacité énergétique ou encore les énergies renouvelables mais peux aussi s’inscrire dans une démarche d’amélioration continue visant tous les aspects environnementaux significatifs par une approche d’éco-conception.

Efficacité énergétique
L’efficacité énergétique vise principalement la réduction de la consommation énergétique des produits sans dégrader leur qualité de service. Ceci contribue certainement à la diminution des impacts environnementaux, des coûts économiques et sociaux liés à la production et à la consommation d’énergie tout en permettant d’augmenter la qualité de vie de tous les habitants de la planète et celle des générations futures. Elle regroupe aussi l’économie d’énergie et la maîtrise de l’énergie [TEC-01]. La directive européenne 92/75/CEE [DE-92] relative à l’efficacité énergétique est la plus connue. C’est elle qui a donné naissance à l’étiquette-énergie permettant d’évaluer l’efficacité énergétique des appareils électroménagers, des ampoules électriques et des voitures et qui va être généralisée à tout ce qui consomme de l’énergie.

Energie renouvelable
L’exploitation des énergies renouvelables n’a pas cessé d’augmenter ces deux dernières décennies. Ces énergies appelées aussi énergie verte sont vues aujourd’hui comme une alternative de l’énergie fossile très polluante.

Eco-conception de la Chaine de Traction ferroviaire 

Les travaux réalisés dans cette thèse visent l’éco-conception de la chaine de traction du Tram Train pour avoir un meilleur respect de l’environnement avec un coût minimal. Une analyse de cycle de vie permet d’identifier, les aspects environnementaux significatifs (les paramètres qui génèrent le plus d’impacts) d’un produit, les composants les plus nuisibles à l’environnement dans la chaine de traction et permet également de nous orienter vers des pistes d’amélioration. Parmi ces pistes, nous avons investigué celles qui exploitent les outils d’optimisation.

Elaborer des modèles pour l’optimisation

Pour quantifier les pertes de chaque composant et les quantités de matériaux utilisées et pour vérifier que le nouveau composant éco-conçu respecte les conditions de fonctionnement précisées dans le cahier des charges, des modèles multiphysiques sont élaborés, tels que des modèles thermique, électrique, magnétique, mécanique de fluide et géométrique. Les modèles électrique et magnétique permettent de calculer les différentes pertes électriques du composant pour un point de fonctionnement donné. Le modèle thermique permet de calculer les températures dans certains matériaux du composant. Souvent, les températures calculées sont contraintes. Le modèle mécanique des fluides permet de calculer les pertes de charge et la vitesse du fluide utilisé pour le refroidissement du composant. Tous ces modèles interagissent entre eux pour le calcul des différentes grandeurs. En effet, les températures sont directement reliées aux pertes électriques et aux résistances thermiques des matériaux qui dépendent elles-mêmes du fluide utilisés pour le refroidissement et de sa vitesse d’écoulement qui influe directement sur les coefficients de convection.

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Table des matières

Introduction générale
I. Chapitre 1, Partie 1 : Contexte et objectifs de la thèse
I.1. Introduction
I.2. Contexte de la thèse
I.2.1. Enjeux environnementaux
I.2.2. Solution proposée
I.3. Objectifs de la thèse
I.3.1. Eco-conception de la Chaine de Traction ferroviaire
I.3.2. Elaborer des modèles pour l’optimisation
I.3.3. Adaptation des algorithmes d’optimisation
I.3.4. Evolution des outils Alstom
I. Chapitre 1, Partie 2 : Etat de l’’art de l’éco-conception
I.1. Introduction
I.2. Règlementations, normes et spécifications
I.2.1. Spécifications relatives à des exigences légales et réglementaires
I.2.2. Spécifications de priorité 1
I.2.3. Spécifications de priorité 2
I.3. Analyse de Cycle de Vie
I.3.1. Définition
I.3.2. Déroulement
I.3.3. Les méthodes de calcul d’impacts
I.3.4. Logiciels de gestion environnementale
I.3.5. Récapitulatif
I.4. Chaine de traction ferroviaire et sa modélisation
I.4.1. Modélisation
I.4.2. L’optimisation au service de l’éco-
I.5. Conclusion
II. Chapitre 2 : Analyse de Cycle de Vie du Tram Train
II.1. Introduction
II.2. Démarche ACV pour la chaine de traction du Tram Train
II.2.1. Définition du champ d’étude et des objectifs
II.2.2. Inventaire de cycle de vie
II.2.3. Conclusion sur l’ACV de la chaine de traction
II.3. Méthodes d’agrégation des impacts
II.4. Interprétation des résultats
II.5. Conclusion
III. Chapitre 3 : Besoin de l’éco-conception en optimisation
III.1. Introduction
III.2. Optimisation multidisciplinaires
III.2.1. Multidisciplinary feasibility
III.2.2. Individual Disciplinary Feasibility
III.2.3. All At Once
III.2.4. Comparaison des formulations MDO
III.3. Output Space Mapping à deux niveaux
III.3.1. Principe
III.3.2. Utilisation des formulations MDO
III.3.3. Comparaison des différentes démarches
III.3.4. Conclusion sur MDO et OSM
III.4. Output Space Mapping multi-niveau
III.4.1. Output Space Mapping à trois niveaux
III.4.2. Output Space Mapping n-niveaux
III.4.3. Application
III.5. Conclusion
IV. Chapitre 4 : Optimisation de l’ensemble transformateur de traction et PMCF
IV.1. Introduction
IV.2. Cahier des charges pour l’optimisation
IV.2.1. Critères
IV.2.2. Variables
IV.2.3. Contraintes
IV.3. Démarche
IV.4. Elaboration des modèles nécessaires
Conclusion générale

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