Intégration de concepts de gestion de chaine logistique en boucle fermée (CLSCM) et d'analyse du cycle de vie (ACV) : contribution à l’économie circulaire et application aux batteries au plomb

Integration of closed-loop supply chain management (CLSCM) and life cycle assessment (LCA) concepts : contribution to the circular economy and application to lead batteries

• Auteur / Autrice : Magno Angel Gonzalez Rodriguez
• Direction : Catherine Azzaro-Pantel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 27/10/2020
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie chimique (Toulouse ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Maussion
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Catherine Azzaro-Pantel, Pascal Maussion, Marie Bonnin, Antonin Ponsich, Alberto Alfonso Aguilar Lasserre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : José Maria Ponce-Ortega, Bruno Lacarrière

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aspect environnemental

Chaînes de valeur mondiales

Mots clés libres

Chaîne logistique en boucle fermée

Analyse du cycle de vie

Recyclage

Management de la chaîne logistique

Batterie au plomb

MILP

Epsilon-contrainte

TOPSIS

Closed Loop Supply Chain

Life Cycle Assessment

Recycling

Supply chain management

Lead-acid battery

MILP

Epsilon-constraint

TOPSIS

Résumé

Durant les dix dernières années, le concept de chaîne d'approvisionnement a évolué vers une approche intégrée considérant simultanément les chaînes d'approvisionnement amont et aval. Cette évolution a donné naissance à la chaîne d'approvisionnement en boucle fermée (CLSC), visant à optimiser l'utilisation des matériaux issus de divers processus de fabrication. Malgré les avancées notables dans la gestion et la conception des CLSC, la plupart des approches de recherche ont surtout mis l'accent sur les aspects économiques, laissant souvent de côté ou traitant séparément les préoccupations environnementales via l'analyse du cycle de vie (ACV). La fermeture de la boucle de la chaîne d'approvisionnement conduit généralement à un système plus complexe que la chaîne d'approvisionnement traditionnelle. Ainsi, il est impératif de développer des méthodes quantitatives et des modèles spécifiques pour aider les gestionnaires et professionnels à créer des systèmes en boucle fermée plus efficaces, rentables et durables. L'objectif scientifique majeur de ce travail consiste à développer une analyse intégrée des concepts de gestion des CLSC et d’analyse du cycle de vie en explorant l'effet miroir qui existe entre ces deux domaines. Le cas d’étude des batteries au plomb dans les véhicules automobiles, en particulier pour les véhicules électriques, vient appuyer ces travaux. La formulation du modèle est établie sur une procédure de programmation mathématique linéaire en variables mixtes (MILP) avec une approche multicritère liée à la minimisation des coûts et à l'impact environnemental, considérant cinq échelons (fournisseurs, producteurs, distributeurs, grossistes et détaillants) dans le réseau amont et sept échelons (centres de collecte et de recyclage, élimination des produits, démontage, élimination des matières premières, tiers et recyclage) dans le réseau aval. La stratégie multi-niveaux et multi-périodes consiste d'abord à identifier et réduire les critères significatifs qui peuvent être utilisés dans la procédure d'optimisation multi-objectifs (dans ce cas, bi-objectifs). Deux critères majeurs ont émergé : le coût total de la chaîne d'approvisionnement et les émissions totales de gaz à effet de serre, reconnus comme étant contradictoires, justifiant ainsi la mise en œuvre d'une procédure d'epsilon-contrainte. La première application d'une méthode d'aide à la décision (M-TOPSIS et TOPSIS) a permis d'identifier les configurations candidates de la chaîne d'approvisionnement. Une analyse du cycle de vie a ensuite été réalisée sur l'ensemble des solutions du front de Pareto afin de mener une analyse multicritère sur tous les critères de la méthode d'analyse d'impact sélectionnée (Impact 2002+) et le critère de coût. Cette étape a révélé des solutions plus intéressantes concernant ce groupe de critères que celles identifiées au niveau précédent, validant ainsi la démarche. Du point de vue stratégique, cela a nécessité le développement de sous-modules environnementaux pour les blocs de la chaîne d'approvisionnement afin de calculer systématiquement les indicateurs environnementaux à partir de l'extraction de la base de données EcoInvent et des facteurs d'impact de la méthode d'analyse utilisée dans l'étude. Enfin, une étude de sensibilité a montré que pour l'étude de cas, (i) une augmentation du pourcentage d'utilisation des matières premières récupérées d'un produit à recycler, (ii) une augmentation du taux de récupération, (iii) une amélioration du processus de fabrication/refabrication vis-à-vis des émissions de GES sont des paramètres particulièrement significatifs pour améliorer de la performance de tous les indicateurs.

Over the past decade, the supply chain concept has undergone significant evolution, transitioning toward an integrated approach that considers both upstream and downstream chains simultaneously. This evolution has led to the development of the closed-loop supply chain (CLSC), aimed at optimizing material utilization across various manufacturing processes. While progress in managing and designing CLSCs has been notable, most research approaches have primarily focused on economic aspects, often addressing environmental concerns as an afterthought or separately via life cycle assessment (LCA). The closure of the supply chain loop typically results in a more intricate system compared to traditional supply chains. Consequently, there is an urgent need for specifically tailored quantitative methods and models to assist managers and professionals in creating more efficient, cost-effective, and sustainable closed-loop systems. The overarching scientific objective of this study is to conduct an integrated analysis that combines CLSC management concepts and Life Cycle Assessment, exploring their interdependence. This investigation will be supported by the increased utilization of lead-acid batteries in motor vehicles, especially in the context of electric vehicles, considered a promising future vehicle option.The model formulation relies on a mixed-variable linear mathematical programming procedure (MILP), incorporating a multi-criteria approach focused on cost minimization and environmental impact. This formulation considers five tiers in the forward network (suppliers, producers, distributors, wholesalers, and retailers) and seven tiers in the reverse network (collection and recycling centers, product disposal, disassembly plant, raw material disposal, third parties, and remanufacturing). The multi-level multi-period strategy involves initially identifying and reducing significant criteria applicable in the multi-objective (in this case, bi-objective) optimization procedure. Two crucial criteria emerged: the total cost of the supply chain and total greenhouse gas emissions, which were recognized as conflicting, warranting the implementation of an epsilon-constraint procedure.The first application of decision support methods (M-TOPSIS and TOPSIS) facilitated the identification of potential supply chain configurations. Subsequently, a life cycle assessment was conducted on the Pareto front-end solutions, enabling a comprehensive multi-criteria analysis involving the selected impact analysis method (Impact 2002+) and the cost criterion. This step revealed solutions that outperformed those previously identified, validating the approach.Strategically, this required the development of environmental submodules for the supply chain blocks to consistently compute environmental indicators. This involved extracting data from the EcoInvent database and utilizing impact factors pertinent to the study's analysis method.Lastly, a sensitivity study highlighted that, for the case study: (i) an increase in the percentage of raw materials recovered from a product designated for recycling, (ii) an improved recovery rate, and (iii) enhancements in the manufacturing/remanufacturing process regarding GHG emissions, are particularly significant in improving the performance of all indicators.