Viser la neutralité carbone

Comment les jumeaux virtuels permettent aux entreprises d'engager leur transformation et de tendre vers une activité à la fois rentable et neutre en carbone

Jacqui Griffiths
27 September 2021

13 minutes

La première échéance majeure dans le cadre des objectifs climatiques mondiaux approche à grands pas. Avec 2030 en ligne de mire, les entreprises sont sous pression et doivent réduire rapidement leurs émissions de gaz à effet de serre. Les jumeaux virtuels, notamment lorsqu'ils sont combinés à des outils d'analyse du cycle de vie, permettent aux entreprises de comprendre, de mesurer et d'atténuer l'impact environnemental de leurs projets avant d'agir et ce, à moindre coût.

Suite à l'Accord de Paris, les pays devaient définir des objectifs climatiques ambitieux à l'horizon 2030 afin de limiter la hausse des températures mondiales en réduisant les émissions de gaz à effet de serre (GES). Les entreprises, tous secteurs confondus, sont donc sous pression pour obtenir des résultats rapidement. Parallèlement, les réglementations en vigueur relatives aux émissions se durcissent et s'accompagnent d'amendes en cas de non-conformité. Les investisseurs, les consommateurs, les industriels et les collaborateurs prennent tous des mesures afin de valoriser les entreprises respectueuses de l'environnement et, à l'inverse, punir les retardataires. La Conférence des Parties (COP26), qui a lieu cette année en Écosse, est le premier grand rassemblement relatif aux émissions de GES depuis que les objectifs ont été fixés et vient ainsi marteler l'urgence d'agir.

Pourquoi avons-nous besoin des entreprises ici ? Comme le Boston Consulting Group (BCG) l'a noté dans son rapport 2020, les activités de production et de logistique des entreprises industrielles représentent plus de la moitié de toutes les émissions mondiales de CO2e (équivalent dioxyde de carbone, qui inclut d'autres gaz à effet de serre). « Compte tenu des tendances actuelles, les émissions dues à la production et à la logistique devraient diminuer d'environ 45 % d'ici 2030 si nous voulons atteindre l'objectif de 1,5°C fixé par l'Accord de Paris pour limiter l'augmentation de la température mondiale », observe le BCG.

75 % des chefs d'entreprise considèrent la décarbonisation comme une priorité absolue. Mais d'après l'enquête du BCG, seulement 13 % ont défini des objectifs d'atténuation réalisables. Autre mauvaise nouvelle : une étude menée en 2021 par Fortune/Deloitte auprès des PDG a constaté que 40 % d'entre eux n'avaient pas de projet prévu pour atteindre la neutralité carbone.

Pour beaucoup, la question des coûts est un obstacle majeur : 63 % des entreprises de fabrication interrogées en 2020 par le BCG ont déclaré qu'elles pensaient que la décarbonisation risquait d'augmenter leurs coûts de conversion (coûts de fabrication, hors coûts des matériaux) d'ici 2030. Mais une solution existe : les jumeaux virtuels, aussi plus connus sous le nom de jumeaux numériques. Il s'agit d'une technologie déjà utilisée par les entreprises pour minimiser les dépenses et augmenter la qualité des produits. Il est possible de l'appliquer ici pour améliorer la durabilité de leurs activités et notamment pour réduire les émissions de GES.

« Les objectifs opérationnels et environnementaux sont depuis toujours considérés comme deux sujets distincts. C'est pourquoi de nombreuses entreprises n'ont pas conscience que la technologie qu'elles utilisent déjà pour être plus efficaces et innovantes peut également les aider à devenir plus durables. »

Lauren Ing
Directrice générale, Stratégie de développement durable, Accenture

En alliant modélisation 3D scientifiquement précise et simulation multiphysique, les jumeaux virtuels permettent aux fabricants de concevoir et de tester virtuellement leurs produits et leurs processus opérationnels avant de les construire ou de les utiliser dans le monde réel.

Un rapport récent de la Royal Society du Royaume-Uni fait état de la manière dont les grandes entreprises utilisent les jumeaux virtuels pour modéliser des chaînes de valeur de bout en bout, comme de véritables expériences virtuelles. Par exemple, un jumeau virtuel a permis d'augmenter jusqu'à 20 % le rendement de certains parcs éoliens britanniques, mais aussi leur durée de vie en apportant des modifications de conception qui réduisent l'usure des turbines.

« Les jumeaux virtuels prennent leur origine dans les systèmes de gestion du cycle de vie des produits, aidant les entreprises – en particulier les fabricants – à réduire les coûts, améliorer la qualité et booster les cycles », déclare Lauren Ing, Directrice générale de la stratégie de développement durable chez Accenture. « L'efficacité et la durabilité vont souvent de pair, mais les objectifs opérationnels et environnementaux sont depuis toujours considérés comme deux sujets distincts. C'est pourquoi de nombreuses entreprises n'ont pas conscience que la technologie qu'elles utilisent déjà pour être plus efficaces et innovantes peut également les aider à devenir plus durables. »

Aux côtés de Dassault Systèmes, Accenture a mené une étude qui a révélé que seulement 10 % environ des entreprises qui pourraient miser sur les jumeaux virtuels les utilisent en réalité déjà. D'après l'enquête, les jumeaux virtuels devraient afficher un taux de croissance annuel rapide de 36 % au cours des cinq prochaines années. Pour les entreprises, il s'agit d'une opportunité majeure d'exploiter le potentiel de cette technologie, capable d'améliorer à la fois leur durabilité et leurs activités.

« Ce rapport examine non seulement les différentes opportunités qu'offrent les jumeaux virtuels, mais revient également sur plusieurs cas d'utilisation dans le cadre desquels les jumeaux virtuels peuvent, s'ils ne le font pas déjà, modéliser des chaînes de valeur de bout en bout, comme de véritables expériences virtuelles », commente Lauren Ing. « Les cinq cas d'utilisation que nous avons étudiés montrent la manière dont les jumeaux virtuels peuvent combiner d'ici 2030 plusieurs avantages, avec des économies pouvant aller jusqu'à 1 300 milliards de dollars américains [soit 1 000 milliards d'euros] et une réduction des émissions de CO2e de 7,5 gigatonnes. »

Multiplier par deux les avantages

Associer les objectifs opérationnels et environnementaux aux jumeaux virtuels représente une véritable opportunité pour les entreprises qui souhaitent multiplier par deux leurs avantages et ce, grâce aux plates-formes que bon nombre d'entre elles utilisent déjà dans le cadre de la conception, de la fabrication et de la distribution de leurs produits et services.

« L'utilisation d'un jumeau virtuel pour modéliser et tester leurs idées offre aux entreprises l'espace nécessaire pour innover en termes de durabilité, tout en optimisant leurs activités », ajoute Lauren Ing. « Dans l'industrie des biens de consommation, par exemple, les décisions prises en matière de conception peuvent représenter 80 % de l'impact environnemental d'un produit. À titre d'exemple, une entreprise peut utiliser un jumeau virtuel pour concevoir un nouvel emballage qui réduit le coût induit par un certain type de solvant. En y regardant de plus près en matière de durabilité, l'entreprise aura visibilité sur l'impact environnemental de ses décisions et les avantages qu'elles gagnent. Une fois qu'elle commence à mesurer ces différents avantages, elle peut augmenter ses bénéfices en matière de durabilité, en identifiant les opportunités d'amélioration sur des questions comme l'empreinte carbone ou la durabilité des matériaux. »

Les constructeurs automobiles utilisent depuis longtemps des jumeaux virtuels pour simuler les performances de leurs véhicules, en effectuant même des tests de collision virtuels, plutôt qu'au sein de laboratoires physiques avec de vraies voitures. Désormais, les jumeaux virtuels sont utilisés dans le cadre de tests d'émissions, d'analyses de l'efficacité énergétique et d'estimations de l'autonomie des véhicules électriques, tous requis par la Procédure mondiale d'essai harmonisée pour les véhicules légers (WLTP).

Cette procédure, qui nécessitait autrefois des tests physiques en soufflerie sur des voitures réelles en générant des émissions réelles, peut être effectuée sur ordinateur et permet d'obtenir des résultats qui correspondent précisément à des tests réels. En plus de prévenir les émissions générées par les tests de voitures physiques, les tests virtuels évitent de fabriquer et transporter des véhicules – dont beaucoup sont ensuite mis au rebut – vers des souffleries dédiées aux tests. Les tests virtuels évitent également aux entreprises de construire des souffleries supplémentaires pour répondre à la demande. Enfin, les constructeurs automobiles ont la possibilité de réaliser plus de tests en un temps réduit et à moindre coût.

Penser le développement durable en amont

Il est essentiel de prendre en compte dès le départ les questions de développement durable dans la conception, la fabrication, l'entretien et la recyclabilité d'un produit afin d'exploiter pleinement son potentiel. Les industries spécialisées dans la céramique et les métaux, par exemple, génèrent des quantités de chaleur excédentaire considérables, qui sont émises dans l'atmosphère. En trouvant une solution pour capter cette énergie, les entreprises pourraient améliorer leur durabilité et réduire leur facture d'électricité.

Parmi les entreprises qui ont relevé le défi : Kraftblock, une start-up allemande spécialisée dans l'énergie verte, qui utilise les jumeaux virtuels pour développer des systèmes modulaires évolutifs et rentables pour la collecte, le stockage et le transfert d'énergie renouvelable.

« Quel que soit le type d'énergie ou l'endroit où elle est consommée, les systèmes de stockage vont s'avérer essentiels pour toutes les solutions énergétiques véritablement durables », déclare Martin Schichtel, fondateur et PDG de Kraftblock. « Nous souhaitons également assurer la durabilité de la fabrication de notre système et de son application. Le matériau que nous avons développé pour stocker l'énergie nécessite moins d'énergie à générer que ses concurrents car il est produit à température ambiante via des processus très simples, y compris de nombreux matériaux recyclés. »

Kraftblock a utilisé les capacités d'imagerie digitale de sa plate-forme d'expérience professionnelle afin de générer une image photoréaliste de son système de stockage d'énergie thermique à partir des données de son jumeau virtuel. (Image avec l'aimable autorisation de Kraftblock)

Kraftblock accompagne un client pilote dans la création d'un système de stockage d'énergie qui permettra à ce dernier de se décarboner d'ici 2025. Dans le cadre de la transition de ce client, qui passe du gaz à l'énergie renouvelable, principalement sous la forme d'électricité éolienne, stocker et recycler la chaleur excédentaire fournira une énergie de secours afin que l'entreprise pilote puisse fonctionner 24 h/24, 7 j/7, dans le cas où il n'y aurait pas de vent.

« Le jumeau virtuel nous permet de combiner plusieurs étapes lors du développement de nos produits », déclare Martin Schichtel. « Par exemple, nous pouvons simuler de nombreux aspects comme les contraintes thermiques et mécaniques du système de stockage avant de le construire. Nous sommes également en mesure de simuler l'ensemble du système énergétique, y compris la source d'énergie du client, l'objectif étant de fournir des données précieuses et de prouver la fiabilité du système dans différentes conditions. »

Le jumeau virtuel est essentiel pour aider Kraftblock à assurer un transfert chaleur-énergie qui soit efficace tout au long du système. « Cette technologie nous permet de réaliser de nombreuses simulations et notamment de contrôler les processus afin de prévoir la manière dont le système fonctionnera », ajoute Martin Schichtel. « Ce point est particulièrement important pour montrer à nos clients différents scénarios possibles et leur donner la garantie que tout se passera bien comme prévu. À l'avenir, le jumeau virtuel nous aidera également à gérer la maintenance prédictive et développer des systèmes de contrôle d'intelligence artificielle. »

Maximiser les bénéfices

Une fois que l'entreprise a identifié les avantages que les jumeaux virtuels peuvent lui apporter – ou lui offrent déjà – en matière de développement durable dans le cadre de ses opérations directes, l'étape suivante consiste à l'appliquer tout au long de la chaîne de valeur.

Axée sur les systèmes, cette approche proactive est à l'origine d'avancées révolutionnaires pour le Damen Shipyards Group, basé à Gorinchem, aux Pays-Bas. Grâce à la simulation, l'entreprise capitalise sur ses innovations afin de produire des navires neutres en carbone grâce à des opérations zéro déchet.

« Le développement durable est le sujet incontournable du moment. Les efforts que nous déployons en matière de digitalisation nous permettent de prendre des engagements fermes en termes de performances vis-à-vis de nos partenaires, des opérateurs et de toutes les parties prenantes. Ces efforts témoignent ainsi de la valeur ajoutée que nos innovations sont en mesure d'apporter, en garantissant notamment de véritables avantages financiers. »

Jorinus Kalis
Responsable du développement, R&D, Damen Shipyards Group

« Le développement durable est le sujet incontournable du moment », déclare Jorinus Kalis, Directeur du développement en R&D pour Damen. « La digitalisation nous permet de prendre des engagements fermes en termes de performances vis-à-vis de nos partenaires, des opérateurs et de toutes les parties prenantes. Nos efforts en la matière témoignent ainsi de la valeur ajoutée que nos innovations sont en mesure d'apporter, en garantissant notamment de véritables avantages financiers. »

Damen a opté pour des outils de conception, de développement et de visualisation 3D dès le début de chaque projet. Le jumeau virtuel permet à l'entreprise de créer, de tester et de valider l'efficacité des systèmes, produits et opérations, mais également de le montrer aux parties prenantes internes et externes.

Dans le cadre de son laboratoire de simulation central, Damen Shipyards utilise des jumeaux virtuels pour ses nouvelles conceptions de navires. L'objectif ? Tester et vérifier que le navire répondra aux besoins du client. Ici, les grands écrans simulent la vue d'un capitaine de navire, tandis que les petits écrans de la console affichent toutes les informations pertinentes relatives au système et à la navigation telles qu'elles seront présentées au capitaine dans le monde réel après la construction et la livraison du navire. (Image avec l'aimable autorisation du Damen Shipyards Group)

« L'intégration et l'optimisation système sont essentielles pour réduire nos émissions de carbone », déclare Jorinus Kalis. « Mais les options qui nous permettraient de gagner davantage d’efficacité peuvent s'avérer complexes, et sont parfois difficiles à comprendre. Il est plus facile de présenter des argumentaires commerciaux et techniques relatifs à la modification et à l'innovation de nos systèmes électriques, de carburant et de propulsion en nous appuyant sur des données validées visuelles et extrêmement réalistes, qui démontrent l'impact financier et environnemental de chaque décision. »

En plus d'aider l'entreprise à fournir à ses clients des produits durables conformes à ses attentes, les jumeaux virtuels de Damen permettent d'innover et de modifier les systèmes de carburant et de propulsion, mais également d'optimiser les performances de son entreprise. « Les jumeaux virtuels de Damen ont simulé non seulement les systèmes intégrés des navires, mais également les opérations du chantier naval. Ces simulations ont permis d'améliorer l'efficacité des processus de fabrication, de réduire le gaspillage de matériaux et de gagner du temps de travail », affirme Jorinus Kalis. « Cette stratégie nous a permis de multiplier par deux la productivité de fabrication pour certaines opérations de notre chantier naval. Nous prévoyons donc d'élargir notre utilisation de la simulation. »

Optimiser la construction

La construction fait également partie des industries au sein desquelles le développement durable et les résultats opérationnels vont de pair si l'on veut changer de paradigme. Selon le Programme des Nations Unies pour l'environnement, la construction et l'exploitation des bâtiments représentaient en 2019 38 % des émissions de CO2, un chiffre qui doit être réduit de moitié si l'industrie veut réaliser ses objectifs en matière de GES d'ici 2030.

« Les esprits innovants, dotés de la bonne technologie digitale pour les aider à concrétiser leur vision, seront en mesure d’offrir une durabilité économique et environnementale aux différents acteurs de l'industrie prêts à s’engager dans cette transformation majeure. »

Fabrice Bonnifet
Directeur du développement durable & QSE, Groupe Bouygues

Le groupe Bouygues, entreprise internationale de construction, utilise un jumeau virtuel pour atteindre de nombreux objectifs ambitieux en matière de conception, de construction et d'exploitation des bâtiments.

« Nous développons une plate-forme professionnelle unifiée à l'échelle de notre entreprise pour simuler virtuellement, prédire des caractéristiques de performance et ainsi transformer la conception, l'ingénierie et l'exploitation de tous nos produits, projets et processus », déclare Fabrice Bonnifet, Directeur du développement durable et QSE (qualité, sécurité, environnement) du groupe Bouygues. « Cela nous permet d'avoir des capacités, à la fois faibles en carbone et hautement efficaces, dans toutes les activités de construction de Bouygues. Nous « stockons » également virtuellement des matériaux, en conservant une base de données de composants qui ont déjà été utilisés dans la construction de bâtiments. À la fin de la vie d'une structure, ces pièces seront réutilisées dans d'autres bâtiments à venir.

Bouygues utilise des jumeaux virtuels pour mettre en lumière l'impact environnemental à long terme d'une structure, puis développe virtuellement des mesures d'atténuation telles que l'amélioration de l'isolation, la circulation de l'air, l'utilisation de l'énergie et les stratégies de recyclage. La communauté Autonomous Building for Citizens (ABC) à Grenoble, en France, est un véritable laboratoire vivant. Cette résidence produit et stocke sa propre électricité, récupère l'eau de pluie, transforme ses déchets en compost et en biogaz, et récupère la chaleur des eaux usées recyclables. Le résultat ? Une réduction de 40 % des déchets ménagers, une baisse de 70 % des besoins en eau courante et une ferme solaire qui fournit plus de 107 % de la demande en électricité des habitants. Les données de performance sont également partagées avec les résidents, ce qui encourage la communauté à agir collectivement afin de pérenniser et d'augmenter les bénéfices.

« Nous allons voir apparaître de plus en plus sur les chantiers des constructions modulaires, développées virtuellement et offrant des composants techniquement optimisés, fabriqués avec précision et à faible émission de carbone pour un assemblage facile », a déclaré Fabrice Bonnifet. « Les esprits innovants, dotés de la bonne technologie digitale pour les aider à concrétiser leur vision, seront en mesure d’offrir une durabilité économique et environnementale aux différents acteurs de l'industrie prêts à s’engager dans cette transformation majeure. »

Analyse du cycle de vie

Malgré l'ampleur des progrès réalisés, il est essentiel de booster nos actions en matière de climat si l'on veut atteindre les objectifs de 2030 et viser la neutralité carbone d'ici 2050. La démocratisation de l'utilisation des jumeaux virtuels fait partie de la solution. Désormais, les jumeaux virtuels peuvent avoir un impact significatif sur les objectifs de développement durable. L'analyse du cycle de vie (ACV), qui permet de mesurer les impacts sur l'air, l'eau et la consommation d'énergie d'activités humaines diverses et variées, renforce d'ailleurs considérablement le potentiel des jumeaux virtuels.

Bien que l'ACV ait été principalement utilisée jusqu'ici pour les rapports annuels de fin d'année pour souligner l'impact à la baisse de l’entreprise, associer l'ACV aux jumeaux virtuels fournira aux entreprises un aperçu des impacts dans le cas de différents scénarios virtuels, que ce soit en matière de conception, de fabrication ou de transport, avant que quoi que ce soit ne soit entrepris dans le monde réel. Dans ce contexte, la combinaison de ces deux technologies offrira à chaque concepteur, ingénieur de fabrication et planificateur logistique les informations nécessaires pour prendre des décisions à faible impact.

« À l'ère de l'information, nous avons accès en temps réel à la météo, au trafic ou encore à la situation boursière, de Tokyo à São Paulo », déclare Reinout Heijungs, professeur agrégé au département d'analyse des opérations de la Vrije Universiteit Amsterdam et expert reconnu de l'ACV. « Pourquoi ne pourrions-nous pas accéder de la même manière à des données en matière de développement durable ? Si chaque entreprise était obligée de déclarer ses émissions de manière standardisée, réaliser une ACV serait beaucoup plus facile et nous n'aurions pas besoin d'utiliser des données sur la production d'acier datant de 1985 comme si elles étaient encore pertinentes à l'heure actuelle. »

Bientôt, grâce aux outils d'ACV intégrés à la conception 3D et aux capacités de simulation multiphysique qui créent et alimentent les jumeaux virtuels, les concepteurs seront en mesure d'évaluer facilement les impacts relatifs de différentes approches de conception et de fabrication d'un produit tout au long de la chaîne de valeur – extraction des matériaux, production, logistique, utilisation et fin de vie – et de sélectionner les options les plus durables.

« Il s'agit de développer le réseau et de donner aux collaborateurs de l'entreprise les moyens de comprendre que leurs choix impactent le développement durable et qu’ils peuvent influencer certaines de ces mesures », déclare Lauren Ing d'Accenture. « Quel que soit le domaine de prédilection des collaborateurs de l'entreprise (durabilité, ingénierie, recherche et développement, etc.), ils doivent parler la même langue pour se comprendre et identifier comment la technologie peut contribuer à la fois aux résultats opérationnels et au développement durable. »

« Les jumeaux virtuels fournissent un fil digital tout au long du cycle de vie du produit qui leur permet de le faire, mais également de modéliser, de tester et d'affiner leurs idées dans le monde virtuel avant d'engager d'éventuelles ressources naturelles dans le monde réel. »

Découvrir comment les jumeaux virtuels contribuent au développement durable

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