Concevoir un produit pour plusieurs vies : Propositions pour la conception et l'évaluation environnementales de solutions en cascade

par Tom Bauer

Thèse de doctorat en Génie Industriel : conception et production

Sous la direction de Peggy Zwolinski.

Le président du jury était Delphine Riu.

Le jury était composé de Erik Sundin, Guillaume Mandil, Elise Monnier.

Les rapporteurs étaient Nadège Troussier, Dominique Millet.


  • Résumé

    Ces travaux de thèse s’intéressent à une stratégie de fin de vie naissante : le repurposing. Nous le définissons comme un processus industriel par lequel des produits en fin d’usage sont réutilisés dans des applications distinctes. À la fin de leur premier usage, les produits sont réintégrés dans la chaine industrielle en vue d’une nouvelle utilisation dans une autre application. On parle également d’utilisations en cascade. Le but avoué est la conservation de la valeur-ajoutée des produits, aussi longtemps que possible. Cette stratégie s’inscrit aux côtés d’autres stratégies de réutilisation plus connues telles que le réemploi et le remanufacturing.L’illustration principale de la littérature, qui constitue également notre terrain d’étude, concerne les batteries au lithium. Utilisées initialement dans les véhicules électriques, elles sont aujourd’hui recyclées lorsque leurs capacités de stockage diminuent de 20 à 30%. Prolonger leur durée de vie par une seconde application, e.g. un usage stationnaire, permettrait de différer les étapes de recyclage tout en maximisant le maintien de la valeur ajoutée lors de la fabrication. Malgré ces avantages, les exemples de transformations de produits pour des applications en cascade restent à l’état de démonstrateurs, en particulier parce qu’aujourd’hui ces produits et leur chaine de valeur ne sont pas conçus avec des stratégies supportant leur réutilisation.L’objectif de ces travaux est d’apporter aux équipes de conception une vision claire de ce qu’est la stratégie de réutilisation en cascade, de comment l’intégrer lors des étapes amont du processus de conception et de guider l’évaluation environnementale correspondante, afin de les accompagner pour une réelle industrialisation des produits repurposés. En ce sens, nous émettons trois propositions.La première consiste en une classification des caractéristiques propres aux solutions en cascade selon trois axes : le produit, le processus de (re)fabrication et le modèle d’affaire envisagé. À travers ce cadre, nous décrivons les dimensions et les caractéristiques des offres de produits repurposés. Elles sont alors utilisables pour l’établissement de compromis dès les phases amont de conception. Celles-ci sont issues d’une étude bibliographique couplée à des études de terrain.Notre deuxième proposition concerne le processus de conception de tels produits. En effet, plusieurs spécificités sont à prendre en compte en comparaison d’une activité de conception classique : récupération du produit en fin d’usage, applications ultérieures pas ou peu définies, besoins flous, usage influençant les performances, etc. Une étape de conception pour les produits repurposés devra donc être intégrée en amont du processus de repurposing afin d’optimiser les solutions ultérieures. En complément, plusieurs recommandations pour la conception d’un produit repurposé sont formulées. Intégrées au plus tôt, elles visent à faciliter la réutilisation des produits en tenant compte des parties-prenantes, des phases du cycle de vie, des aspects temporels et en gérant mieux l’information.Enfin, un cadre générique structurant la réalisation d’analyses du cycle de vie de ces solutions est proposé. Les ACVistes pourront ainsi plus facilement tenir compte des spécificités de ces stratégies, car la complexité des modélisations ACV pour les produits aux applications en cascade nécessite davantage de rigueur et de précision que pour des produits à application unique. Pour supporter ce cadre, trois recommandations à destination des équipes de conception sont émises. Elles permettent la formalisation d'éléments de contexte pour améliorer la comparaison avec d’autres études et d’informations en vue des analyses de sensibilité.Ces trois propositions sont implémentées sur deux cas d’étude ‘batterie’, au cours de séances de travail regroupant des parties-prenantes de l’ensemble du cycle de vie : commanditaire, équipes de conception, logisticiens, recycleur, etc.

  • Titre traduit

    Design for several product lives : Propositions for the design and environmental assessment of repurposed products


  • Résumé

    This PhD dissertation focuses on an innovative end-of-life strategy: repurposing. We define ‘repurposing’ as a manufacturing process through which products nearing their end-of-life are reused in different applications. At the end of their intended use, products are reintegrated into the manufacturing chain and adapted for their next application. We also refer to this strategy as cascading application reuse (CAR). The main purpose of CAR is the preservation of the added-value of such products. This strategy is in line with other reuse strategies such as direct reuse and remanufacturing.The central illustration in our case study addresses lithium-ion batteries used in electric vehicles, which are recycled when the battery’s charging capacity falls below 80%. Extending the component lifespan with a second application, e.g. stationary application, postpones introduction into the waste stream, retaining the added-value from the original manufacturing process. Despite these advantages, examples of product adaptation for CAR remain at a proof-of-concept scale - currently these products and their value chains are not yet designed with strategies supporting reuse.The objective of this research is to provide a clear vision to design teams about repurposing strategies, how to integrate the strategies during the upstream stages of the design process and how to facilitate the corresponding lifecycle assessment. The objective is to support designers during the manufacturing of repurposed products. We make three proposals.The first consists of classifying the characteristics specific to the repurposing strategy according to three axes: the product, the (re)manufacturing process and the business model. Through this framework, we describe the dimensions and characteristics of what the repurposed product offers, which are integral during the design activity. These attributes are the result of a study of the relevant literature coupled with several field investigations.Our second proposal concerns the design process for such products. Indeed, several differences with classical design practices appear: the need for product recovery at the end of use, subsequent applications and needs not fully defined, which affect performance, etc. A design stage for repurposed products must therefore be integrated before subsequent applications in order to optimise redesign solutions. Integrated as early as possible, they aim to facilitate product reuse by taking into account stakeholders, life cycle phases, time aspects and better information management.Finally, a generic framework structuring the carrying out of life cycle analyses of repurposing is proposed. This will simplify the inclusion of their specificities for life cycle assessments (LCA) practitioners. Indeed, the complexity of LCA modelling for cascading applications products requires more rigour and precision than single application products. To support this framework, three recommendations for design teams are made, the objective of which is to better formalise the information from the design process. These recommendations support the formalisation of contextual elements to improve comparison with other studies and the organisation of information for sensitivity analyses.These three proposals are implemented on two battery case studies, during working sessions involving stakeholders representing the complete life cycle: sponsor, design teams, logisticians, recycler, etc.


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