La simulation au service du développement durable

Résoudre des problèmes complexes et favoriser le développement durable grâce à la simulation

Dan Headrick
1 February 2019

5 minutes

Les entreprises suivent la voie du développement durable pour améliorer leur rentabilité et leur productivité tout en préservant leurs ressources, mais aussi pour répondre plus rapidement à des défis de plus en plus complexes. De nombreuses entreprises utilisent la simulation par ordinateur pour tester de nouveaux concepts dans des environnements virtuels, travailler plus rapidement et s'assurer des meilleurs résultats avant de lancer des produits

Au large du port de Brest, à l'ouest de la France, des chercheurs ont récemment effectué les premiers essais en mer d'une hydrolienne dotée d'une membrane ondulante qui « nage » dans le courant. Les courants de marée déplacent la membrane et des dispositifs électroniques dédiés convertissent ce mouvement en énergie exploitable.

EEL Energy, l'entreprise française qui développe cette technologie d'énergie renouvelable, affirme que l'énergie marémotrice est plus efficace que les énergies solaire ou éolienne, ne génère ni pollution ni déchets, n'a pas d'impact visuel, ne fait pas de bruit, n’agresse pas la faune et n'entrave pas la navigation. Les simulations par ordinateur aident les ingénieurs à avoir une vue d'ensemble du sujet dans toute sa complexité.

« Grâce à la simulation digitale, nous évitons des erreurs, nous limitons les coûts des essais et nous procédons à des optimisations », déclare Astrid Deporte, scientifique chez EEL Energy. « De la conception à la simulation, tout est interdépendant, ce qui permet d'optimiser rapidement le modèle dans sa globalité et non pièce par pièce. »

L'utilisation de la simulation permet aux chercheurs d’EEL Energy de tester virtuellement leur membrane ondulante pour s'assurer de ses performances, de son aspect pratique et de sa rentabilité avant la fabrication. EEL Energy peut ainsi tester potentiellement des milliers de variantes de prototypes virtuels sur ordinateur et satisfaire ses objectifs de durabilité en autant de temps qu'il en faudrait pour construire et tester un seul prototype physique.

« La simulation nous permet d'effectuer un grand nombre de tests virtuels à moindre coût et plus rapidement », se félicite Astrid Deporte. « Elle contribue à améliorer la fiabilité de notre hydrolienne et à analyser les risques tout en limitant les coûts, notamment des essais. »

La simulation optimise la planification, réduit les coûts, facilite la prise de décisions et améliore la précision. Elle permet également aux chercheurs de tester, de vérifier et d'optimiser rapidement un modèle : utilisation des matériaux et sécurité de la fabrication, protection des travailleurs, entretien à long terme et allongement de la vie utile du produit, impact environnemental, notamment avec la réduction au minimum de la quantité totale de matériaux utilisés, la recherche d'alternatives aux matières dangereuses et l'incitation au recyclage.

DES DÉFIS « TORDUS »

L’objectif du développement durable, tel que décrit par la Commission mondiale sur l’environnement et le développement des Nations Unies, semble simple : répondre aux besoins actuels sans compromettre les besoins futurs. Dans les faits, cela est plus compliqué. Les problématiques du développement durable représentent ce que John C. Camillus, professeur de gestion stratégique à l'Université de Pittsburgh, appelle des défis « tordus ». Ces défis sans précédent surviennent lorsque le changement est incessant et la recherche de solutions sans fin.

EEL Energy a conçu une membrane ondulante qui « nage » dans les courants océaniques. Lorsque la membrane se déplace, des dispositifs électroniques spécialisés convertissent le mouvement en énergie exploitable. (Image © EEL Energy)

Pourtant, le développement durable est devenu un leitmotiv pour toutes les organisations, quelle que soit leur taille, car ce concept est synonyme de bonne gouvernance, de rentabilité et de productivité. Pour les entreprises et les gouvernements, la difficulté du développement durable réside dans l'évaluation, la gestion et la prévision des processus dynamiques et des variables changeantes au fil du temps.

De plus, le développement durable accroît la complexité, car il multiplie le nombre de facteurs à prendre en compte.

« Alors que par le passé, les systèmes étaient gérés et conçus en fonction d'un facteur principal, le plus souvent en termes monétaires, de plus en plus d'entreprises adoptent aujourd'hui ce que l'on appelle le triple résultat : à l’échelle des personnes, du profit et de la planète, comme un ensemble plus complexe et non linéaire de mesures que les développeurs de produits et de services doivent pouvoir équilibrer », explique sur son site Complexity Labs, une société d'e-learning basée à Barcelone et dédiée à la théorie des systèmes et de la complexité.

La simulation par ordinateur permet aux ingénieurs de reproduire le comportement d'un système, de simuler ses résultats d'après un modèle mathématique et d'optimiser la conception des produits.

La simulation par ordinateur, aussi appelée ingénierie assistée par ordinateur (IAO), existe depuis les années 1950. Elle était alors utilisée dans les simulateurs de vol.

La nouveauté aujourd'hui, c'est la quantité de données et la grande sophistication des simulations. On comprend alors pourquoi la société indienne d'études et d'analyses de marché B2B MarketsandMarkets prévoit que le marché mondial des logiciels de simulation passe en cinq ans seulement de 6,26 milliards de dollars US (soit 5,5 milliards d'euros) en 2017 à 13,45 milliards de dollars US (soit 11,8 milliards d'euros), c'est-à-dire plus du double, en 2022.

La simulation est particulièrement productive. Avec le bon logiciel, il est possible de faire de la simulation 24 heures sur 24, 7 jours sur 7 et 365 jours par an, partout dans le monde tant que des ordinateurs fonctionnent. Les méthodes de design traditionnelles sont plus lentes et nécessitent souvent un accès difficile à des équipements de test à la fois sophistiqués et coûteux.

LA SOLUTION DE SIMULATION

« Personne ne conçoit plus rien aujourd'hui sans simulation », affirme Shaaban Abdallah, professeur d’ingénierie aérospatiale et de génie mécanique à l'Université de Cincinnati (UC). Shaaban Abdallah est le conseiller pédagogique de l'équipe d'étudiants de l'Université de Cincinnati qui participe au concours SpaceX pour la conception de l'Hyperloop, un système de tubes de 1 448 kilomètres entre Los Angeles et San Francisco dans lequel des capsules transportant des passagers et des véhicules pourraient un jour se déplacer à une vitesse de 1 127 km/h. « Le niveau de complexité est tout autre ».

L'Hyperloop intègre des accélérateurs magnétiques et des coussins d'air comprimé pour éliminer les efforts de frottement qui gênent normalement l'utilisation des roues. Ces méthodes ne tournent pas, ce qui change la dynamique du problème, mais les simulations permettent de le surmonter.

Le design prévoit également la maintenance opérationnelle et des variables difficiles à mesurer telles que les tremblements de terre, les pannes de courant et les fluctuations de passagers. Il doit être à la fois sûr, fiable, abordable et auto-alimenté, ce qui n’est pas chose facile.

Ironiquement, l'équipe Hyperloop de l'Université de Cincinnati a appris que la complexité améliore en fait la simulation. Tous les ingénieurs et analystes de données, où qu'ils soient, peuvent contribuer à la conception de l'Hyperloop, un projet open source. L'équipe peut tirer des leçons des précédents problèmes, simulations et conceptions complexes pour améliorer les simulations futures et résoudre des questions encore plus difficiles. Cette émulation fait germer de nouvelles idées, qui n'ont souvent rien à voir avec l'Hyperloop.

« Aujourd'hui, grâce à la simulation, nous sommes capables d'effectuer des modifications de conception plus itératives et de démontrer les résultats. Dès lors, les conceptions complexes deviennent accessibles à un plus grand nombre de personnes dont les ressources sont limitées », explique Jorge Betancourt, qui dirige les simulations d'analyse structurelle pour l'équipe Hyperloop de l’Université de Cincinnati. « La simulation permet à tous ces groupes différents de prouver que leurs idées sont bonnes. »

Pour en savoir plus sur les solutions en matière de développement durable, consultez : go.3ds.com/0nE

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