Développement d’un modèle d’aide à la décision basé
sur l’optimisation multicritère, intégrant l’analyse de
cycle de vie conséquentielle
Application à une entreprise forestière
Thèse
Achille Benjamin Laurent
Doctorat en génie mécanique
Philosophiæ doctor (Ph. D.)
Québec, Canada
Développement d’un modèle d’aide à la décision basé
sur l’optimisation multicritère, intégrant l’analyse de
cycle de vie conséquentielle
Application à une entreprise forestière
Thèse
Achille Benjamin Laurent
Sous la direction de :
Sophie D’Amours, directrice de recherche
Robert Beauregard, codirecteur de recherche
Résumé
Comment les entrepreneurs forestiers peuvent-ils prendre en considération les impacts environnementaux dans leurs décisions d’affaires ? Quelles technologies peuvent réduire les impacts environnementaux tout en rendant l’entreprise plus profitable ? Afin de répondre à ces questions, un outil d’aide à la décision stratégique a été développé. Ce modèle est basé sur l’optimisation multicritère et intègre la minimisation des impacts environnementaux aux objectifs économiques.
La considération d’impacts environnementaux et économiques sur l’ensemble du réseau logistique requiert une vision holistique. C’est pour cette raison qu’une approche de cycle de vie est utilisée tout au long de cette thèse. Ainsi, le modèle multicritère est alimenté par des analyses de cycle de vie environnementale et de coûts.
L’analyse de cycle de vie (ACV), sous-entendu attributionnelle et environnemental, est une méthode normalisée et reconnue permettant de quantifier les impacts environnementaux d’un produit ou d’un service. La première contribution de cette thèse est de présenter une ACV du portefeuille de produits d’une entreprise forestière. Il s’agit de la première contribution analysant l’ensemble d’un portefeuille de produit d’une organisation. Cette ACV a été réalisée avec la méthode IMPACT 2002+ permettant d’obtenir une quantification des dommages sur la santé humaine, la qualité des écosystèmes, les changements climatiques et la consommation de ressources. Ces quatre impacts sont utilisés comme critères environnementaux du modèle d’optimisation multicritère.
La seconde contribution introduit la réalisation d’une analyse de cycle de vie de coût basée sur la comptabilité par activités (ACVC-PA) couvrant l’ensemble des opérations de récolte et de transformation d’une entreprise forestière. À partir des résultats des coûts de chacune des activités, le coût de revient est attribué à chacun des produits du portefeuille. Dans la discussion est présentée une analyse de l’état d’avancement des principaux produits sur les marchés nord-américains. La méthodologie de l’ACVC-PA a été choisie, car elle permet de faire des liens avec les résultats de l’analyse environnementale.
Le modèle d’aide à la décision intégrant les critères environnementaux est présenté dans la troisième contribution. Les résultats des deux analyses précédentes sont incorporés dans un modèle d'optimisation multicritère, auquel sont ajoutés les effets de substitutions, grâce à une approche conséquentielle de l’ACV. Dans le cas des produits du bois, les effets de substitutions ont des impacts positifs, au moins sur les changements climatiques, puisque les matériaux de construction courants (acier ou béton) et les combustibles fossiles ont une intensité carbonique supérieure. Ce modèle propose des solutions optimales d’un point de vue environnemental et économique, ainsi que les compromis entre ces critères, quant aux flux de matières et
l'acquisition de nouvelles technologies. Une représentation graphique des réseaux proposés accompagne le calcul des bénéfices nets annuels anticipés et des émissions nettes de gaz à effet de serre de chacune des solutions.
La démonstration du modèle d’aide à la décision repose sur l’étude de cas d’une entreprise forestière. Le modèle mathématique est en programmation linéaire en nombres entiers, qui est résolue par la méthode exacte et l’approche a posteriori. Ce qui permet de générer 150 solutions, en faisant varier les pondérations entre 0 et 1 pour chaque critère. Plusieurs technologies prospectives sont intégrées dans ce modèle tout en respectant les contraintes d’approvisionnements, de recette et de capacité spécifique au contexte de l’entreprise forestière à l’étude.
Une dernière contribution porte sur le transport des produits du bois. L’acheminement des systèmes de construction préfabriquée directement sur les chantiers de construction présente plusieurs avantages, mais est une source d’émissions de gaz à effet de serre. CarbonRoadMap est un modèle d’aide à la décision multicritère et multimodal offrant des alternatives au transport en camion. L’entreprise forestière peut ainsi proposer des parcours en fonction des priorités de ses clients, qui peuvent être le délai, le coût ou les émissions de gaz à effet de serre.
L’ensemble de cette thèse démontre que l’intégration des critères environnementaux dans les outils d’aide à la décision permet d’élargir la vision des décideurs. De plus, dans les deux études modèles, propres à l’entreprise forestière, les solutions réduisant les impacts environnementaux sont majoritairement des sources de profit supplémentaire simultanément.
Abstract
How can forest harvesting entrepreneurs consider environmental impacts in their business decisions? What technologies can reduce environmental impacts while making the company more profitable? To answer these questions, we developed a strategic decision support tool which integrated the minimization of environmental impacts with economic objectives environmental based on multi-criteria optimization.
The consideration of environmental and economic impacts on the entire logistics network requires a holistic vision. That why a life-cycle approach was adopted all long of this thesis. Thus, the multi-criteria model is powered by environmental Life-Cycle Assessment (LCA) and Life-Cycle Cost Assessment (LCCA).
The first contribution of this thesis is to present a LCA of the product portfolio of a forestry company. LCA is a standardized and recognized method for quantifying the environmental impacts of a product or service. This analysis was realized with the IMPACT 2002+ method, which quantify damages on human health, ecosystem quality, climate changes and resource consumption, which are the four environmental criteria in this entire research project.
The second contribution is the realization of an Activity-Based Life-Cycle Costing (AB-LCC) covering all the harvesting and processing activities of the same forestry company. The cost structure of the company was analyzed for each product of the portfolio along with an analysis of the life-cycle of each Harvested Wood Product (HWP) in the North American market context.
With a consequential LCA approach, it is possible to consider the consequences of a change by integrating the substitution effects. Substition of building materials, such as steel or concrete, and of fossil fuels by HWP has positive greenhouse gas emission impacts. The third contribution, presented in chapter 4, use results of the previous analyzes to incorporate them in a multi-criteria optimization model which considers both profitability and environmental impacts. The decision support model provides optimization from an environmental, economic and all compromises between these criteria, on material flux and new technology acquisition. A graphical representation of the proposed network accompanies the calculation of expected annual profits and net GHG emissions of solutions.
The case study is based on primary and historical data of the company activities as well as set of new technologies considered, for both environmental and economic criteria. The mathematical model is linear integer programming that is resolved by the exact method and a posteriori approach, by varying weights between 0 and 1 for each criterion, to generate 150 solutions. Several prospective technologies are proposed
in the model while respecting the constraints of supplies, recipes and specific capacity to the context of the studied forestry company.
A final contribution of this thesis is about the HWP delivery system, presented in chapter 5. The routing of prefabricated building systems directly on construction sites has several advantages, but it is a source of GHG emissions. CarbonRoadMap is a multicriteria and multimodal model supporting decisions about alternatives to truck only transport. The forestry company can suggest different routes based on the priorities of its customers, who may be the time, cost or carbon emissions.
This whole thesis demonstrates that the integration of environmental criteria in the decision support tools allows a wider vision. In the applications, specific to forestry business, the solutions with an environmental impacts reduction are mostly a source of additional profit simultaneity.
Table des matières
Résumé ... iii
Abstract ... v
Table des matières ... vii
Liste des tableaux ... ix
Liste des figures... x
Liste des acronymes... xi
Remerciements... xiii
Avant-propos ... xv
Chapitre I. Introduction ... 1
1.1. Revue de littérature ... 3 1.2. Problématique industrielle ... 13 1.3. Objectifs... 16Chapitre 2. Présentation de la thèse ... 18
2.1. Épistémologie ... 18
2.2. Méthodologie générale du modèle d'aide à la décision multicritères ... 20
Chapitre 3. Analyse de cycle de vie du portefeuille de produit d’un industriel forestier
innovant ... 31
3.1. Introduction ... 32
3.2. Method ... 33
3.3. Life-Cycle Impact Assessment ... 41
3.4. Discussion... 46
3.5. Conclusions ... 48
Acknowledgments ... 49
Chapitre 4.Analyse de cycle de vie de coût basée sur la comptabilité par activités
appliquée au portefeuille de produit d’une entreprise forestière innovante...….…50
4.1. Introduction ... 51
4.2. Revue de littérature ... 52
4.4. Méthodologie ... 56
4.5. Description des activités à l'étude ... 60
4.6. Résultats... 66
4.7. Discussion... 69
4.8. Conclusion ... 76
Remerciements ... 77
Chapitre 5. Carbonlab : un outil d’aide à la décision sur les choix d’investissements,
basé sur l’optimisation multicritères ... 78
5.1. Introduction ... 79 5.2. Revue de littérature ... 80 5.3. Méthodologie ... 83 5.4. Étude de cas ... 89 5.5. Résultats... 93 5.6. Conclusion ... 105
Chapitre 6. CarbonRoadMap : Un outil d’aide à la décision multicritère pour le transport
multimodal ... 107
6.1. Introduction ... 107
6.2. Motivation, Context and Literature ... 109
6.3. Methodology ... 111
6.4. Case Study Description ... 117
6.5. Results and discussion ... 118
6.6. Conclusion ... 124
Chapitre 7
.Conclusion et perceptives ... 126
Liste des tableaux
Tableau 1 : Contributions des auteurs pour chacun des articles ... xvii
Tableau 2 : ACVE des produits du bois ... 5
Tableau 3 : CPA portant sur l'industrie forestière……… . ………...…..7
Tableau 4 : Activities description ... 36
Tableau 5 : LCA Results by Activities and the Portfolio of Products per Output Cubic Meter ... 42
Tableau 6 : Calculation of Biogenic Carbon Sequestration by HWP ... 48
Tableau 7 : Répartition des coûts ... 59
Tableau 8 : Résultat de la simulation de Monte-Carlo ... 68
Tableau 9 : Listes de nouvelles technologies proposées... 92
Tableau 10 : Factors for all criteria by cubic meter of glulam ...118
Tableau 11 : Transitions costs and delays ...118
Liste des figures
Figure 1: Méthodologie d’aide à la décision intégrant l’analyse de cycle de vie. ... 10
Figure 2: Représentation graphique du développement durable et des enjeux pour l’industrie forestière ... 15
Figure 3: Méthodologie générale du modèle d'aide à la décision multicritères ... 21
Figure 4: Les étapes d’une ACV ... 22
Figure 5: Méthode d'impact IMPACT2002+ ... 23
Figure 6: Frontière d’une ACV attributionnelle et conséquentielle ... 26
Figure 7: Interface graphique de l’outil d’aide à la décision pour le transport des produits du bois. ... 30
Figure 8: System boundaries of cradle-to-gate HWP manufacturing system included ... 36
Figure 9: Flow of material ... 40
Figure 10: Comparison between the volume and economic allocations of the portfolio of HWP ... 45
Figure 11: Distribution of production in volume by harvested wood products categories ... 47
Figure 12: Méthode comptable d’ACVC-PA... 55
Figure 13: Activités à l’étude ... 61
Figure 14: Bilan de matière, calculer en mètre cube sur une base sèche et présenter en pourcentage. ... 67
Figure 15: Résultats du coût de revient du portefeuille de produits ... 69
Figure 16: Profitabilité relative des principaux produits du portefeuille. ... 72
Figure 17: Évolution de la valeur ajoutée des produits bois et papier canadien entre 2002 et 2012. ... 73
Figure 18: Répartition des produits du portefeuille sur la courbe de cycle de vie. ... 74
Figure 19: Schématisation du modèle d'aide à la décision proposé ... 83
Figure 21 : Schéma des activités de l’étude de cas ... 89
Figure 22 Front de Pareto entre le critère économique et de changements climatiques ... 96
Figure 23: Front de Pareto entre le critère économique et de santé humaine ... 97
Figure 24 Front de Pareto entre le critère économique et de la qualité des écosystèmes ... 98
Figure 25 Front de Pareto entre le critère économique et consommation de ressources ... 99
Figure 26: Pentagone présentant les résultats pondérés sur les 5 critères ...100
Figure 27: Schéma du réseau de la solution 1407 du scénario initial optimisé ...101
Figure 28: Schéma du réseau de la solution 1407 du scénario prospectif ...102
Figure 29: Courbe d'abattement des coûts marginaux présentant les coûts d’implantation des solutions prospectives ...104
Figure 30: Network before connection ...113
Figure 31. Network after connexion. Arc 2-4 is inserted. ...113
Figure 32 : Pareto front, which represents the compromise between cost and carbon emissions ...120
Figure 33 : CarbonRoadMap screen shot ...121
Figure 34 : Truck only carbo-efficient boundary ...122
Figure 35 : Intermodal carbo-efficient boundary ...123
Liste des acronymes
CPA (ABC) : Comptabilité par activité (Activity Based Costing) ACV : Analyse de cycle de vie
ACVC-PA : Analyse de cycle de vie de coût basé sur la comptabilité par activité ACV-A : Analyses de cycle de vie de type attributionnelle
ACV-C : Analyses de cycle de vie de type conséquentielle ACVE : Analyse de cycle de vie environnementale BTS: Bureau of Transportation Statistics
CAD : Dollar canadien
CCLtée : Chantiers Chibougamau ltée
CCNUCC : Convention-cadre des Nations Unies sur les changements climatiques
CIRAIG : Centre international de référence sur le cycle de vie des produits, procédés et services CLT : Bois lamellé-croisé (Cross-Laminated Timber)
CNC : Machine d’usinage à commande numérique
CO2 éq. : Dioxyde de carbone équivalent (unité de mesure des émissions de gaz à effet de serre) cv : Coefficient de variation (oefficient of variation : normalized standard deviation)
CV-P: Cycle de vie des produits
DALY : Perte potentielle d’espérance de vie en année (disability-adjusted life years)
DSS : Système d’aide à la décision (Decision Support Systems)
EIA U.S. : U.S. Energy Information Administration
DEP (EPD) : Déclaration environnementale de produit (Environmental Product Declarations) FORAC : Consortium de recherche de la forêt au client (Université Laval)
FQRNT : Fonds québécois de recherche nature et technologies GES (GHG) : Gaz à effet de serre (Green House Gas)
GIEC (IPCC) : Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat
GIS : Système d'information géographique (Geographical Information System)
Glulam : Bois lamellé-collé (Glued-laminated wood timber)
GWP : Potentiel de réchauffement climatique (Global Warming Potential)
HWP : Produit du bois (Harvested Wood Product)
IEA : Agence internationale sur l’énergie (International Energy Agency)
ISO : Organisation internationale des normes (International Standard Organisation)
LTL: Transport hors charge (Less-Than-Truckload)
kg : Kilogramme
LCA : Life Cycle Assessment
CACM : Courbe d’abattement de coûts marginaux (MACC: Marginal Abatement Cost Curve)
MILP : Programmation linéaire avec des binaires (Mixed-Integer Linear Programming) MRNF : Ministère des Ressources Naturelles et de la Faune du Québec
Msf : Mille pieds carrés (1,000 square feet)
MSR : Classifié par résistance mécanique (Machine Stress Rated) ON: Province de l’Ontario
OSB : Panneau à plaquettes orientées (Oriented Strand Board)
PCR : Règles par catégorie de produit (Products Category Rules)
Pmp : Pied mesure planche QC : Province du Québec
RNCan : Ressources naturelles Canada RO : Recherche opérationnelle
SD : État du Dakota du Sud (South Dakota)
SETAC : Society of Environmental Toxicology and Chemistry
SQL : Langage de requête structurée (Structured Query Language) UF : Unité fonctionnelle
Remerciements
Comment ne pas commencer par ceux qui m’ont donné la vie, mes parents, à qui je dois beaucoup, car ils m’ont offert une enfance heureuse dans un cadre qui m’a permis de m’épanouir. Même si ce n’était pas facile à accepter sur le coup, mes parents m’ont transmis des valeurs qui me semblent essentielles maintenant, tels que la générosité, la compassion et le contentement. Ils m’ont supporté dans toutes les étapes de ma vie, surtout dans les mauvaises passes.
L’obtention d’un doctorat est la fin de la scolarité. Ce qui est paradoxal, puisque c’est durant cette période que l’on découvre toute l’étendue de notre ignorance. Quoi qu’il en soit, après avoir usé mes pantalons pendant 29 années sur des bancs d’école, il me semble que certains de mes enseignants et professeurs méritent des remerciements, d’autant que j’aurais pu être considéré comme un enfant « hyperactif ». Quelques noms me reviennent en mémoire M. et Mme Leprince, M. Chaufour, M. Komaroff, M. Sasson et bien d’autres dont j’ai malheureusement oublié le nom. Tous ont contribué à faire de moi ce que je suis devenu et je leur en suis reconnaissant.
Cela fait 10 ans que je vis au Québec, loin de ma famille et de mes amis d’enfance. Probablement grâce à mon côté quelque peu sociable, j’ai rencontré des gens formidables de ce côté de l’atlantique. La liste est longue, je ne peux pas tous vous citer, mais vous êtes dans mes pensées. C’est grâce à vous que j’ai réussi à passer les épreuves vécues dans cette période. La dernière épreuve fût marquante, assez peu physiquement, par chance, mais la cicatrice psychologique est quant à elle indélébile. Mais cela m’a permis également de me rendre compte des vrais amis, ceux qui viennent passer du temps même à l’hôpital, au moment où on en a le plus besoin, finalement. Merci à Jean-François Boulanger, Damien Chauvin, Maxime Blouin, Sylvain Ménard, la famille Guillemin, la famille Forget, la famille Wéry, Gérard Criacchi, Jessie Homenick, Greg Paradis, Mikael Rönnqvist et Sophie D’Amours pour avoir pris le temps de venir me rendre visite et leurs soutiens précieux. Je remercie également le groupe du CIRAIG et de FORAC pour leurs petits mots et leurs pensées positives. Pour boucler la boucle, je remercie toutes les personnes qui m’ont permis de réaliser cette thèse. Bien évidemment en commençant par ma directrice Mme Sophie D’Amours, qui m’a offert de venir poursuivre mes travaux de maîtrise à Québec. Malgré ses rôles de vice-doyenne, puis de vice-rectrice, elle a su rester intéressée par mon projet de recherche. De même pour M. Robert Beauregard, qui bien que doyen a gardé un œil attentif sur l’avancement de ce projet, avec une rigueur riche d’enseignement. Je remercie également Marc-André Carle qui a su prendre le relais de supervision lorsque Mme D’Amours fut promue vice-rectrice. Je profite de ces quelques paragraphes pour remercier les coauteurs des articles, puisque je ne n’ai pu le faire directement dans les papiers auxquels ils ont contribué. Merci à vous Jean-François Ménard et Pascal Lesage du CIRAIG pour votre patience et vos nombreux commentaires qui m’ont permis de réaliser l’ACV. Merci aussi
à Laure Patrouillard pour les discussions et tes commentaires concernant la partie conséquentielle. Je ne pourrais pas manquer de mentionner le partenaire industriel sans qui l’étude de cas n’aurait pas été possible. Merci aux Chantiers Chibougamau pour m’avoir partagé toutes ces données, o combien précieuses. Je remercie tout particulièrement Frédéric Verreault, Pascal Ouellet et Julie Frappier de croire en l’intérêt de la quantification environnementale. Je finirais ces remerciements par les contributeurs financiers, le FQRNT via le projet de recherche accordé à Frédéric Raulier. Une autre partie du financement provient des fonds de recherche de Mme D’Amours, une raison de plus de vous remercier. Enfin, une dernière partie provient du consortium de recherche FORAC, que je remercie pour le soutien financier, mais également pour la gestion administrative, réalisée à la quasi-perfection par Catherine Lévesque. Je te remercie Catherine, ainsi que Mme Claire Deschênes, pour avoir réglé tous mes accrochages avec les instances administratives.
Après avoir mentionné mes reconnaissances aux personnes de mon passé, et du présent, je m’aventure à remercier d’avance, vous qui prendrez le temps de lire cette thèse, ou seulement en partie. C’est grâce à vous que ce travail, auquel j’ai consacré presque cinq années, servira peut-être à quelque chose. Je n’attends pas de reconnaissance ni d’éloges, je suis pleinement satisfait d’avoir eu la chance de réaliser cette recherche qui m’a passionnée. J’ai simplement espoir d’une ouverture vers ce qui semble contre-intuitif pour certains, l’environnement (au sens biogénique) n’est pas une source de problème ou de perte économique. Au contraire, la protection de notre environnement fait partie des solutions…les résultats de ces travaux en sont une bonne illustration.
Avant-propos
Ce document, intitulé "Développement d’un modèle d’aide à la décision basé sur l’optimisation multicritère, intégrant l’analyse de cycle de vie conséquentielle : Application à une entreprise forestière" a été rédigé afin de répondre aux exigences d’obtention du diplôme de doctorat en génie mécanique, avec concentration en génie industriel, de l’université Laval. Cette thèse a été réalisée sous la direction du Pr Sophie D’Amours, la codirection de Pr Robert Beauregard et la supervision de Marc-André Carle.
Cette thèse est réalisée selon le principe d’insertion d’articles et est composée de quatre articles scientifiques. Je suis l’auteur principal de chacun de ces articles, car j’ai agi comme chercheur principal des études, en collectant les données, en générant les différentes modélisations, en rédigeant et en assurant les communications avec les éditeurs. Les coauteurs des articles ont également participé en partie ou à l’ensemble du processus à titre d’experts dans le domaine. Les paragraphes qui suivent donnent de plus amples détails sur la répartition des rôles respectifs pour chacun des quatre articles.
Le premier article, qui compose le chapitre 3, intitulé "Analyse de cycle de vie du portefeuille de produit d’un industriel forestier innovant". Il s’agit d’un article rédigé en anglais sous le titre « Cradle-to-Gate Environmental
Life Cycle Assessment of the Portfolio of an Innovative Forest Products Manufacturing Unit ». Ce document a
été soumis à la revue Bioresource.com le 8 avril 2016 ; la révision par les pairs a été complétée le 9 mai 2016; la version révisée a été reçue le 20 juin 2016 ; il a été accepté le 25 juin 2016 ; et a été publié le 7 septembre 2016 sous la référence BioRes. 11(4), 8981-9001. Les coauteurs sont Jean-François Ménard, Pascal Lesage et Robert Beauregard. Jean-François Ménard et Pascal Lesage sont chercheurs au CIRAIG à Polytechnique Montréal. Ma contribution dans ce travail est d’avoir collecté les données, réalisé la modélisation dans le logiciel SimaPro v7 (édité par Pré-consultant) qui a été validé par Jean-François Ménard. C’est Pascal Lesage qui a proposé l’idée d’utiliser le mètre cube de bois entrant dans le système comme unité fonctionnelle pour quelle soit commune à l’ensemble des produits. J’ai rédigé le papier en anglais et apporté les modifications suggérées par les 3 coauteurs, les correcteurs externes et l’éditeur. Les différentes versions ont été revues par tous les auteurs et une traductrice a relu la version soumise.
Le chapitre 4 présente le second papier, qui s’intitule « Analyse de cycle de vie de coût basée sur la comptabilité par activités appliquée au portefeuille de produit d’une entreprise forestière innovante ». Cet article est rédigé en français et il est publié comme document de recherche le 30 septembre 2016 et est publié sous la référence CIRRELT-2016-48. Nous avons travaillé sur cette analyse avec ma direction de thèse, soit Sophie D’Amours et Robert Beauregard. Ma contribution dans cette analyse fût de réaliser la collecte de données, réaliser toutes les conversions pour obtenir un flux de matière cohérent. La cohérence des données a été validée avec les responsables des départements et de la comptabilité des Chantiers Chibougamau. Les
coauteurs ont commenté les versions précédentes du manuscrit et ont grandement contribué à l’analyse de succession présentée en discussion.
Le troisième papier intitulé « CarbonLab : un outil d’aide à la décision basée sur l’optimisation multicritère intégrant l’analyse de cycle de vie conséquentielle appliqué à une entreprise forestière » a, comme l’article précédent, été rédigé en français et soumis comme document de recherche au CIRRELT le 31 octobre 2016 et la référence est CIRRELT-2016-58. Nous avons travaillé sur ce document en collaboration avec toute ma direction Sophie D’Amours et Robert Beauregard, incluant Marc-André Carle. Ma contribution dans cette étude fût de générer l’analyse conséquentielle, le modèle mathématique, puis de résoudre le modèle et de faire l’interprétation des résultats. La modélisation fut réalisée dans un tableur Excel qui était converti pour être envoyé dans CPLEX grâce à l’outil TUMC, qui a été développé par Mathieu Bouchard et Sébastien Lemieux. La génération de graphique en Python a été réalisée en modifiant un algorithme qui m’a été transmis par Gregory Paradis. J’ai rédigé le manuscrit et les coauteurs ont commenté les différentes versions du manuscrit. Le dernier article de cette thèse, qui compose le chapitre 6, se nomme "CarbonRoadMap : un outil d’aide à la décision multicritère pour le transport multimodal". Il s’agit d’un papier rédigé en anglais sous le titre « CarbonRoadMap: A Multi-Criteria Decision Tool for Multimodal Transportation » et a été soumis le 29 juin 2017 au journal : International Journal of Sustainable Transportation. Les coauteurs sont Marc-André Carle, Steve Vallerand, Mathieu Bouchard et Sophie D’Amours qui font tous partie du consortium de recherche FORAC. Ma contribution à cet article est dans un premier temps d’avoir proposé l’idée, qui fait suite à une conclusion de mon mémoire de maîtrise. Puis, je me suis attelé à la collecte les données et de collaborer au développement de l’algorithme puis de réaliser la rédaction. Steve Vallerand a réalisé la programmation et la génération de graphe. Mathieu Bouchard l’a aidé pour le développement des heuristiques. Marc-André Carle m’a grandement aidé à la rédaction, qui était supervisée par Sophie D’Amours.
Le tableau ci-dessous résume les contributions de chacun des auteurs des 4 articles qui composent la présente thèse.
Chapitre 1. Introduction
Les entreprises manufacturières subissent de plus en plus de pressions de la part des consommateurs afin de quantifier et réduire leur empreinte environnementale (Quariguasi Frota Neto et al., 2008). Ce phénomène est déjà palpable dans plusieurs régions du monde. En effet, l'étiquetage environnemental est devenu un enjeu majeur, particulièrement en Europe : les consommateurs désirent disposer d'informations sur les impacts environnementaux de leurs achats. Pour répondre à ce besoin de transparence, les industriels doivent quantifier l’impact environnemental de leurs activités afin de pouvoir mettre en valeur leur bonne performance dans ce domaine, si tel est le cas. Dans certains secteurs où la compétition est particulièrement vive, la capacité d'offrir des produits ou des services avec une empreinte écologique plus faible que la concurrence peut permettre d’augmenter considérablement les parts de marché. À cet égard, il a été mis en évidence que les entreprises québécoises ont un avantage compétitif, puisqu'ils profitent d'une énergie électrique à très faible intensité carbonique (Laurent et al., 2013 ; Wells et al., 2011).
L’industrie forestière n’échappe pas à ces attentes et subit des pressions de la part de certains groupes environnentalistes, bien que l'industrie forestière ait pour vocation de récolter et de transformer le matériau bois, une ressource renouvelable. Ce matériau séquestre du carbone atmosphérique grâce au phénomène de photosynthèse et ainsi les produits du bois sont des réservoirs de carbone1 tout au long de leur durée de vie (Karjalainen et al., 1999). De plus, les produits du bois sont reconnus comme étant moins énergivores et ils ont, par conséquent, une intensité carbonique faible, en comparaison avec les matériaux de construction compétiteurs (Sutton 2003; Taylor et Van Langenberg, 2003). Cela fait des matériaux en bois une alternative intéressante dans la lutte aux changements climatiques avérés dans les secteurs énergétiques et de la construction (Beaulieu 2012; Nabuurs et al., 2007). D’autant que la ressource lignocellulosique permet de générer un grand nombre de produits. L'industrie forestière est pour cela appelée divergente, car à partir d'une ressource unique, l’arbre, elle offre un portefeuille de produits particulièrement diversifié. Les recherches dans le domaine des bioproduits permettent d’accroître cette diversité et contribuent à augmenter la valeur ajoutée à cette ressource. Depuis quelques années, la production de différentes formes de biocombustibles lignocellulosiques - également appelés biocarburants de seconde génération - devient techniquement pertinente (Berndes et al., 2003; Regalbuto, 2009). La substitution des combustibles fossiles par les coproduits de la transformation du bois permettrait de réduire l'empreinte carbonique de l'industrie forestière (Börjesson et Gustavsson, 2000; Petersen et Solberg, 2002).
Traditionnellement, la recherche opérationnelle est une discipline qui optimise sur la base des critères économiques (Goetschalcks et Fleischmann, 2008). Ce travail propose un modèle d’aide à la décision 1 Ce carbone est dit biogénique
stratégique visant à permettre à une entreprise de prendre en considération l'empreinte environnementale dans la conception de son réseau logistique, tout en maximisant les retombées économiques de ses activités. Le modèle multicritère permet d’optimiser les flux de matières et les investissements technologiques. En effet, l’implantation de nouvelles technologies, telle que les biocarburants, impose à une entreprise de reconfigurer son réseau logistique au plan stratégique. De plus, avec des contraintes d’approvisionnement en matière première, il est nécessaire de redistribuer les flux de matière à travers les différentes activités et créer un réseau de distribution pour vendre cette nouvelle production.
Pour ce faire, une approche par Analyse de Cycle de Vie (ACV) semble être la méthode la plus adaptée afin d'analyser les aspects environnementaux. En effet, l’ACV est une méthodologie normée de quantification des impacts d’un produit ou d’un service, qui offre une vision globale mettant en évidence les éléments néfastes, ainsi que le déplacement de problématiques environnementales d'une phase à l'autre du cycle de vie. C’est pour ces raisons que des analyses environnementales et économiques des activités de récolte et de transformation de l’ensemble du portefeuille de produit d’une entreprise forestière sont réalisées, en suivant les principes du cycle de vie. À partir des résultats de ces deux analyses et pour prendre en considération les avantages de produits du bois sur les matériaux compétiteurs, une troisième analyse de cycle de vie de type conséquentielle (ACV-C) est utilisée pour estimer les impacts environnementaux des effets de substitutions des matériaux de construction et énergétique. L’ensemble de ces données permettent d’alimenter un modèle d'optimisation multicritère. Les solutions optimales obtenues maximisent les profits, minimisent les impacts environnementaux ou un compromis entre ces deux extrêmes. Une analyse des solutions permet d'aider l'entreprise forestière dans ses décisions d'investissement stratégiques.
Un second outil d’aide à la décision basée également sur l’optimisation multicritère offre des alternatives pour le transport de produits du bois jusqu’au client final, couvrant ainsi la dernière étape du réseau logistique d’une entreprise forestière.
La suite de cette introduction présente une synthèse de littérature permettant de donner une définition aux différents concepts abordés tout au long de la thèse, tout en présentant une synthèse des méthodologies et applications répertoriées dans les publications scientifiques. Les problématiques traitées au fil de la thèse seront ensuite exposées, avant de développer des propositions pour relever les défis de l’analyse et la conception de réseau logistique dans un contexte de prise de décisions multicritère.
1.1.
Revue de littérature
Afin de situer la proposition de modèle de réingénierie du réseau logistique d'un industriel forestier par rapport aux recherches portant sur des sujets similaires, il semble pertinent de présenter les différents concepts dans la littérature scientifique. Cette synthèse est composée de deux parties. La première concerne l'analyse de cycle de vie, puisqu'il s'agit du concept clef de ce projet de recherche. La seconde partie abordera l'intégration des critères environnementaux dans la gestion de la chaîne logistique. Dans cette dernière partie sera regardée plus en détail l'utilisation de résultats d'ACV dans l'optimisation d’une chaîne logistique.
1.1.1. L'analyse de cycle de vie
L'analyse de cycle de vie est une méthode standardisée qui a pour objectif de rendre compréhensibles les impacts environnementaux d'un produit ou d'un service. Le cycle de vie est couramment illustré par « du berceau au tombeau » (cradle-to-grave), car cette méthode prend en considération les impacts depuis l’extraction des ressources jusqu’à la fin de vie du produit. Ce qui présente l’avantage de s’assurer de ne pas déplacer les impacts dans une autre phase du cycle de vie. Néanmoins, il est possible de réaliser des analyses uniquement sur certaines phases du cycle de vie. Ainsi il existe des études dites « du berceau à la barrière » (cradle-to-gate), qui sont courante pour déterminer les impacts environnementaux des phases jusqu’à la sortie de l’usine de fabrication, en raison d’un trop grand nombre hypothèses des scénarios des phases d’utilisation et de fin de vie. Grâce à la linéarité présumée des impacts environnementaux, c’est analyses peuvent être complétées par des études spécifiques à la phase d’utilisation (gate-to-gate) ou jusqu’au la fin de vie du produit (gate-to-cradle) en sommant les résultats.
L’intérêt grandissant pour l'ACV et la pensée de cycle de vie sont illustrés par l'augmentation de son utilisation dans différents secteurs et niveaux d'autorité. Aussi, grâce au développement par différentes instances reconnues (ISO, 2006a; SETAC, 1994) de normes encadrant cette méthode ne fait qu’augmenter sa crédibilité.
L'industrie utilise l'ACV comme outil d'aide à la décision pour la conception de nouveaux produits, aussi appeler ecoconception. La première application est attribuée à Coca-Cola en 1969 pour appuyer leur décision de transition des bouteilles en verres vers celles en plastiques (Hunt et al., 1996). Cependant, d'autres applications de l'ACV émergent. La première est l'utilisation de la pensée de cycle de vie dans les critères d'approvisionnement. Les exemples, dans la grande distribution, de Walmart et de Rona, qui appliquent des politiques de réduction des impacts environnementaux des produits qu'ils distribuent. Pour ce faire, ils imposent à leurs fournisseurs l’obligation de transmettre les informations relatives à l'ensemble du cycle de vie (Rona, 2010; Wallmart, 2012). L'autre application émergente de l'ACV est son apparition dans les textes de loi. La pensée de cycle de vie est un élément important dans les politiques de protection de l'environnement
européennes. Sa première apparition dans un texte législatif remonte à juin 2003, dans la politique d'intégration des produits par la Commission européenne (Parlement européen, 2003).
En analyse de cycle de vie, on distingue trois catégories. Une analyse est soit environnementale, soit économique ou sociale. Ces trois catégories d'analyses sont de type attributionnelle (ACV-A) lorsqu'elles ont pour objectif de comptabiliser les flux physiques afin d'attribuer les impacts à un produit ou un service.
Un second type d'analyse de cycle de vie est appelée conséquentielle (ACV-C) (Earles et Halog, 2011). Contrairement à l'ACV-A, une ACV-C permet d’anticiper les conséquences d'une prise de décision en décrivant comment des changements initiés dans un processus peuvent avoir des conséquences négatives ou positives sur d'autres processus. Par conséquent, l'ACV-C impose une extension des frontières, en utilisant par exemple des modèles économiques simples pour faire des hypothèses sur les processus affectés (technologies marginales) (Ekvall et Weidema, 2004).
Les paragraphes qui suivent présentent plus en détail les différentes approches et leurs applications dans le secteur forestier.
1.1.1.1. L'analyse de cycle de vie attributionnelle et les applications aux produits du bois
L'analyse de cycle de vie attributionnelle (ACV-A), et implicitement environnementale, est une étude quantitative qui prend en considération l’ensemble des impacts sur l’environnement pour chacune des étapes du cycle de vie d’un produit ou d’un service. L’ACV s’est développé dans les années 1980 et fait aujourd’hui l’objet d’une seconde version de la norme internationale (ISO, 2006a).
Cette méthode est la plus couramment utilisée pour déterminer l’ensemble des impacts environnementaux lors de l’utilisation des produits du bois (Sathre et O’Connor, 2008). Le tableau 1 présente une liste d’exemple (ce n'est pas une liste qui se veut exhaustive) d’ACV-A portant sur différents produits du bois. La réalisation d’ACV-A sur les produits du bois doit en plus de la norme, suivre les règles de cette catégorie de produit (PCR) proposé pour l’industrie forestière (Institut Bauen und Umwelt e.V., 2009; The Norwegian EPD Foundation, 2013). Selon ces règles, l’allocation des impacts environnementaux entre les produits du bois doit être calculée sur une base volumique. L’unité fonctionnelle, qui décrit quantitativement les services fournis par le produit et qui sert de référence pour tous les entrants et extrant du système à l’étude, retenue est le mètre cube de bois solide et sec. De plus, par le caractère hétérogène du matériau bois et des variabilités intrinsèques à la récolte forestière, il est recommandé de réaliser un inventaire couvrant plusieurs années d’activités, afin de pouvoir en tirer une moyenne (Laurent et al., (2013). Aussi, pour permettre une représentativité accrue au contexte, il est préférable d’utiliser des données spécifiques, aussi appelées
primaires. Ainsi, les données de consommation de carburants et des différents entrants sont issues directement de l’entreprise de produit du bois à l’étude. Ces données peuvent être complétées par des bases de données, comme ecoinvent (Frischknecht et al., 2004), pour la modélisation des infrastructures par exemple.
Tableau 2: ACV-A des produits du bois
Produits du bois
Lamellé-collé Poutre en I Bois lamifié (LVL)
Contreplaqués Panneaux OSB Études Peterson et Solberg (2002); Puettmann et Wilson (2005); Laurent et al., (2013) Wilson et Dancer (2005b) Wilson et Dancer (2005a) Wilson et Sakimoto (2005) Kline (2005)
1.1.1.2. L'analyse de cycle de vie de coût et les applications au secteur forestier
La prise de décision, même orientée sur les critères environnementaux, ne peut se passer d'une évaluation des conséquences économiques (Norris, 2001), d'autant plus que les liens sont forts entre les activités économiques et la consommation de ressources ou la pollution de l'environnement (Udo de Haes et Heijungs, 2007).
L'analyse de cycle de vie de coût (ACVC) est une méthode quantitative qui cumule tous les coûts associés à un bien, sur une base de valeur actuelle ou une valeur annuelle. Il s'agit d'une méthode comptable avec une approche de cycle de vie qui inclut traditionnellement les coûts d’acquisition, d'installation, d'opération, de maintenance, ainsi que les coûts de traitement de fin de vie (Luo et al., 2009). Il est tout de même possible de réaliser des analyses uniquement sur certaines phases du cycle de vie, comme cela se pratique dans les ACV-A.
D’après Gluch et Baumann l’ACVC est un outil dont la théorie fondatrice reste l'économie néoclassique, car développé pour des analyses financières (2004). La prise en considération des critères environnementaux dans une analyse de coût ne permet pas d'en faire un outil d'aide à la décision environnemental. Gluch et Baumann suggèrent donc que les futurs outils d'aide à la décision intègrent les critères environnementaux et micro-économiques. De plus, il est suggéré d'élargir les frontières du système, complétant ainsi les analyses de coût avec un outil reposant sur des allocations physiques, tel que l'ACV-A (Gluch et Baumann, 2004). De nombreuses méthodologies ACVC ont été développées dans les dernières décennies. Des revues de littérature exhaustives permettent de dresser une liste des méthodes ainsi qu'une description succincte
(Asiedu et Gu, 1998; Durairaj et al., 2002; Gluch et Baumann, 2004). Parmi elles, la comptabilité par activités (CPA) (activity-based costing, ABC) a retenu l'attention, puisqu’elle permet de fournir des indications sur la profitabilité d'un produit ou d'un portefeuille de produits, selon la description d’Emblemsvåg (2003). Puisque l'analyse de cycle de vie de coûts est basée sur la comptabilité par activité (ACVC-PA) est la méthodologie retenue dans cette étude, le reste de cette section y est consacré.
Par définition, la méthode de comptabilité par activité permet d'analyser de manière détaillée les coûts indirects associés aux produits ou aux services. De plus, cette méthode présente l'avantage de permettre de comprendre l'origine des coûts et les causes de variation. Des similitudes avec l'ACV-A semblent assez flagrantes, à la différence que ce sont des coûts qui sont attribués et non des impacts environnementaux. Plusieurs auteurs font état de l'utilisation de la méthode CPA comme outil de gestion stratégique, afin de faciliter la prise de décision (Cobb et al., 1992; Cooper et Kaplan, 1988; Malcom, 1991). La méthode CPA est également développée pour des approches appliquées spécifiquement aux activités logistiques (Lin et al., 2001; Pohlen et Londe La, 1994; Themido et al., 2000).
Apparue en 1986 au sein du Consortium for Advanced Manufacturing international (CAM-I) (Berliner et Brimson, 1988), la méthode des coûts basés sur les activités s’intègre dans une approche d'ingénierie des processus. Elle permet l’analyse de la performance des processus par les coûts engendrés par chaque activité. D'après Schindler (2008), cette analyse peut se faire par client, produit, service, gamme, unité de production, marché, métier ou projet, le but étant d'améliorer le fonctionnement global de l'entreprise en fonction des activités, qu'elles soient de production, de support ou de structure. Il est ainsi possible de définir des indicateurs de performance économique pour chacune des activités et d'en faire un suivi.
Malgré les avantages énumérés, peu de compagnies utilisent ce système comptable. La raison principale en est la complexité de mise en œuvre au sein d'une entreprise (Anderson et al., 2002). Afin de pallier à cette difficulté, certaines méthodes inspirées de la comptabilité par activité considèrent les capacités non utilisées comme nulles et les répartissent sur les coûts liés à la capacité effectivement utilisée. Cela les distingue des approches d'imputation rationnelle, permettant ainsi de mesurer et de valoriser les écarts d'activités (Gervais
et al., 2010).
Une recherche bibliographique a permis de trouver des analyses de coût, utilisant la comptabilité par activité, spécifique à l'industrie forestière. Deux publications couvrent l’ensemble les activités de récoltes en forêt et il y a trois publications couvrant les activités de sciage, comme le montre le tableau 2. En revanche, aucune étude ne présente l’ensemble des activités, en forêt et à l’usine, d’une entreprise forestière. Ce qui serait demanderait beaucoup de travail selon Wessels et Vermaas (Wessels et Vermaas, 1998).
Tableau 3: Comptabilité par activités sur l'industrie forestière
Activités forestières Récolte en forêt Sciage
Comptabilité par activités Posavec et al. (2011) Korpunen et al. (2010) Nurminen et al. (2009) Rappold (2006)
Wessels et Vermass (1998)
1.1.1.3. L'analyse de cycle de vie conséquentielle
L'ACV-C décrit comment les flux physiques peuvent changer, permettant ainsi d'anticiper les conséquences d'une prise de décision. Cette différence fondamentale avec l'ACV-A à des conséquences sur la méthodologie, principalement sur la définition des frontières. En effet, les conséquences d'un changement, même mineur, affectent d'autres systèmes que celui du produit concerné. Cela se produit généralement pour des processus multifonctionnels, du recyclage en boucle ouverte ou lors d'utilisation de ressources contraintes2. Il est alors nécessaire de procéder à l’extension des frontières afin d’inclure les parties affectées des autres systèmes. Conformément à la série de normes ISO 14044 (ISO, 2006a) pour la gestion de fin de vie, les frontières du système devront être étendues implicitement afin d'inclure les fonctions supplémentaires, telles que la substitution énergétique ou les matériaux de construction substitués. En effet, le matériau bois est en compétition et offre une alternative au béton et à l’acier pour les constructions ou au pétrole pour la production énergétique, qui dominent le marché. Par une approche conséquentielle, l’effet de substitution permet de soustraire l’impact des matériaux remplacés au produit à l’étude. Ce qui est à l’avantage des produits du bois puisque la transformation est moins énergivore et a une intensité carbonique inférieure à ces substituts (Zabalza Bribián et al., 2011). Cette approche conséquentielle à été appliquée au secteur forestier, plus particuliérement à la conversion d’usine à papier en biorafinerie, car la production de bio-plastique permets la substitution direct de produits fossiles. En élargisement des frontiéres du systéme l’ACV-C permet de prendre en considération l’enseble du portefeuille de produit comme dans l’analyse mené par Gaudreault et
al. (2010). A noté que pour réaliser l’ACV-A du portefeuille de produit de notre paternaire, présenté dans le
chapitre 3, nous avons utiliser la matiére entrant dans le systéme comme unité fonctionnelle.
De nombreux chercheurs s'accordent à dire que l'ACV-C est un outil d'aide à la décision (Finnveden et al., 2007). En effet, pour Weidema (2003), il s'agit de l'outil d'aide à la décision le plus pertinent que l’ACV-A. Lundie et al. (2007) sont plus nuancés, en avançant que l'ACV-C peut-être utilisée comme aide à la décision; alors que Guinée et al. (2001) et Ekvall et al. (2005) soutiennent que la prise de décision doit reposer sur une combinaison entre l'ACV-A et l’ACV-C. Guinée et al. (2001) distinguent trois types de décision : les choix 2 Ressources pour lesquelles il y a de la compétition.
occasionnels, structurels et stratégiques. Chacun de ces choix nécessite un modèle adapté (attributionnel ou conséquentiel) et différent type de données, puisqu'il s'agit d'échelles spécifiques en matière d'impact et de temps. Quoi qu'il en soit, l'analyse la plus exhaustive est obtenue lorsque la modélisation intègre les effets à court et à long terme (Eriksson et al., 2007).
1.1.2. Conception et optimisation du réseau logistique
Dans cette section sont présentées les définitions des éléments pertinents à la compréhension de la conception ou réingénierie du réseau logistique, en mettant l’emphase sur l’industrie forestière.
Pour générer des profits de façon pérenne, les entreprises doivent se distinguer de la concurrence. L’optimisation du réseau logistique peut être un avantage concurrentiel (Martel, 2005). Un réseau logistique est l’ensemble des étapes allant de l’approvisionnement en matière première jusqu’à la distribution du produit fini au client final. Ce qui intègre donc la production, la vente et les services composant ainsi les activités dites primaires d’une entreprise (Vila, 2005).
La modélisation et l’optimisation du réseau logistique de l’industrie forestière ont fait l’objet de plusieurs publications (D’Amours et al., 2008; Rönnqvist 2003; Rönnqvist et al., 2015; Shahi et Pulkki, 2013). Les réseaux sont généralement morcelés pour être optimisés. Ainsi des études optimisent distinctement la récolte, le transport ou des activités de transformations (Shahi et Pulkki, 2013). Au niveau stratégique, les publications présentent des modèles d’optimisations portant généralement sur la gestion durable des forêts et la localisation d’entrepôts (Rönnqvist et al., 2015). Peu de publications présentent une étude de cas portant sur les activités de sciage, comme celle de Vila (2005), et à notre connaissance seuls Tronscoso et Garrido (2005) présentent un modèle couvrant l’ensemble du réseau de l’industrie forestière. En revanche, les modèles proposant l’implantation de nouvelles technologies sont principalement utilisés dans le secteur des pâtes et papiers, avec les bioraffineries forestières intégrées (Machani, 2014; Mansoornejad et al., 2010; Stuart, 2006).
Dans Rönnqvist et al. (2015) 33 problèmes ouverts sont soulevés dans le domaine de la recherche opérationnelle sur l'industrie forestière. Il est intéressant de constater que 7 des problèmes énoncés touchent les problématiques environnementales. Celles-ci sont abordées dans la section suivante.
L'intégration des impacts environnementaux dans la prise de décision est récente, puisque les publications sur le sujet datent de la seconde moitié des années 1990. Cette intégration est comparée à celle de la qualité dans les années 1980 et à celle de la chaîne d'approvisionnement des années 1990 (Srivastava, 2007). Les meilleures pratiques font appel aux considérations environnementales dans l'ensemble des opérations. La
complexité inhérente aux aspects environnementaux, tels que le nombre de parties prenantes ou les conséquences incertaines sur la compétitivité, présente de beaux défis aux experts du domaine.
Les pressions des consommateurs et les pressions législatives sur la prise de responsabilité sociétale n'ont jamais été aussi fortes, incitant ainsi les industriels à développer des chaînes d'approvisionnement « vertes ». Pour ce faire, de nombreuses recherches sont menées sur les différents aspects du réseau logistique. Ainsi, des études se sont penchées sur les aspects de chaînes d'approvisionnement avec une perspective de cycle de vie, tel que les boucles fermées (Srivastava, 2007). D'autres se sont intéressées à un ou plusieurs aspects, tels que la logistique inverse, la gestion des inventaires, l'écoconception, la planification de la production et du recyclage, la récupération de produit ou la réduction des émissions de gaz à effet de serre (Azevedo et al., 2011; Chaabane et al., 2012; Srivastava, 2007). Le tableau suivant, basé sur la revue de littérature de Srivastava (2007) et Azevedo et al. (2011), montre la répartition du nombre d'études menées sur les différentes phases du réseau logistique afin d'en réduire les impacts néfastes sur l’environnement. On constate que la majorité des recherches sur la chaîne logistique « verte » portent sur les étapes de transformation et la chaîne en aval. Seules dix études trouvées portent sur l'ensemble de la chaîne d'approvisionnement. Dans sa revue de littérature exhaustive sur chaîne logistique « verte », couvrant 191 publications, Srivastava (2007) conclut que les études visant à réduire les impacts environnementaux industriels n’affectaient pas pour autant la qualité, les coûts, les performances et bien entendu l’efficacité énergétique.
Tableau 4: Répartition des recherches sur la chaîne logistique « verte », basée sur Srivastava, 2007 et Azevedo et al., 2011.
Éléments abordés
Importance de la chaîne d'approvisionnement verte
dans son ensemble
Influence des sources approvisionnements
Focaliser sur la production Influence de la chaîne en aval Gestion des inventaires Planification de la production Réductions et recyclage Logistique inverse Boucle fermée 10 18 36 17 30 29 11 Total 87 58
Dans sa revue de littérature, Srivastava (2007) a également noté que pour quantifier les impacts environnementaux de la chaîne logistique deux approches sont principalement utilisées : il s'agit de la conception avec conscience environnementale et de l'analyse de cycle de vie (ACV). La conscience environnementale est une approche facilitant l'écoconception comme la sélection de matériaux, l'évaluation du recyclage et les analyses de désassemblage, mais cette méthode n'est que semi-quantitative (Fleischer et al., 2001). Dans le cadre de ce projet de recherche, pour répondre aux attentes quantitatives, seule la méthode ACV sera explorée. La section suivante est consacrée à l'intégration des ACV dans le modèle d'optimisation.
1.1.3. L'analyse de cycle de vie dans les modèles d'optimisation
Traditionnellement, les modèles d'optimisation de réseau logistique ont pour objectif de maximiser les gains économiques ou de minimiser les coûts. Comme précédemment pour les réseaux logistiques, l'intégration des critères environnementaux dans les modèles d'optimisation n’est apparue que récemment. Il fut d'abord question de minimisation des déchets, des rejets d’eaux usées ou d'intégration des éléments environnementaux dans les critères économiques, comme le calcul des bénéfices de réduction de la génération de déchets et des coûts de traitement (Draper et al., 2003).
L'analyse de cycle de vie, couramment utilisée pour quantifier les impacts potentiels sur l’environnement d'un produit ou d'un service, dans un modèle d’optimisation semble appropriée pour répondre à ce besoin de vision globale (Azapagic, 1999). La première utilisation de l'approche de cycle de vie dans le domaine de la recherche opérationnelle remonte à 1996 (Bloemhof-Ruwaard et al., 1996). La problématique portait sur le potentiel de réduction de l'impact environnemental par l'utilisation de papier recyclé. Toujours dans le secteur des pâtes et papiers, une optimisation recourant à une ACV, basée sur la définition de la SETAC (1994), a été publiée en 1997 (Weaver et al., 1997). Il s'agissait de minimiser l'empreinte environnementale de la chaîne logistique des pâtes et papiers européens. Dès 1999, Azapagic et Clift (1999) proposèrent une méthodologie d'intégration de l'ACV dans les systèmes d'optimisation en trois étapes. La figure 1 présente la traduction de la représentation graphique du modèle proposé par Azapagic et Clift (1999).
Assez rapidement, les modèles d'optimisation multiobjectif ont été utilisés afin d'intégrer les critères environnementaux et économiques. Certaines études ont même inclus d'autres éléments tels que le temps de cycle, la qualité et l'énergie comme critères (Luo et al., 2001). Les modèles mathématiques intégrant explicitement les critères d'ACV sont utilisés dans l'objectif de proposer des décisions stratégiques de conception et de planification du réseau logistique; dont la fonction objectif de maximiser la valeur actualisée nette et de minimiser les impacts environnementaux (Guillén-Gosálbez et Grossmann, 2009; Hugo et Pistikopoulos, 2005).
Certains modèles ont recouru à la méthode de caractérisation Ecoindicator 99, qui agrège les émissions de carbone dans les dommages sur la santé humaine (Goedkoop et Spriensma, 2000). D'autres études considèrent uniquement les gaz à effet de serre comme critères environnementaux ( Quariguasi Frota Neto et
al., 2008; Mallidis et al., 2010; Ramudhin et al., 2009). Chabanne et al. (2011) ont intégré les crédits carbone
et minimisé les émissions de gaz à effet de serre (GES) calculé à partir d'une ACV. Cependant, aucune indication ne permet de connaître la provenance des données, ni le logiciel ou la méthode de caractérisation utilisée. En complément à un de ses articles antérieurs traitant uniquement des GES, Čuček et al. (2011) ont utilisé des critères inspirés de l’ACV. En revanche, cette suposée ACV ne suit la norme 14044 et génère des indicateurs environnementaux non standards (GES, consommation d’eau, occupation des sols). De plus récentes publications utilisent une agrégation des résultats d’impacts d’ACV en un score unique (Bernier, 2011; Cerri et al., 2013; Kostin, 2013). Ce qui simplifie le modèle à une optimisation bicritère. La seule publication, à notre connaissance, portant sur l’optimisation multicritère et qui recourt à des données d’ACV et d’analyse économique est proposée par Rivallain (2013) qui a réalisé une thèse sur l’efficacité énergétique dans les secteurs du bâtiment.
Il semble également pertinent de présenter les méthodes de résolutions utilisées pour ces modèles d’optimisation multicritère. Les deux méthodes utilisées sont la méthode des contraintesƐ (Čuček et al., 2011; Kostin, 2013) et un algorithme génétique (Bernier, 2011 ; Rivallain, 2013). La méthode des contraintes Ɛ consiste à résoudre deux fois le modèle monocritère. Le modèle est résolu une première fois en optimisant un critère économique. Puis en plaçant le résultat de la première optimisation en contrainte, le modèle est résolu une seconde fois pour optimiser un critère environnemental. Kostin (2013) utilise cette méthode de résolution en prenant en considération 5 critères, puis génère un graphe de coordonnée parallèle afin de déterminer la redondance entre les différents critères. Il propose cette réduction dimensionnelle afin de pouvoir résoudre de très gros problèmes multicritères. L’autre méthode de résolution grâce à un algorithme génétique présente l’avantage de pouvoir générer des fronts de Pareto représentant le meilleur compromis entre les objectifs économiques et environnementaux. En revanche, la solution n’est pas assurément optimale, comme toute résolution recourant à une heuristique. Dans sa thèse, Rivallain (2013) propose, à des fins d’analyse de
sensibilité, de résoudre une seconde fois son modèle avec méthode exacte. De plus, il a placé en annexe une démonstration pertinente sur la possibilité de perdre des solutions non dominées, et donc intéressante, en fixant des pondérations sur les critères, ce qui est également appelé une approche a posteriori.
1.1.4. Discussion
Dans les ACV, les produits du bois sont analysés individuellement. Ce qui est conforme à la norme ISO14044 : 2006 sur l'analyse de cycle de vie, qui traite d'un produit ou d'un service. En revanche, nous voyons certaines limites à ne pas réaliser des analyses d’un portefeuille de produits. Car dans les secteurs industriels divergents, comme c'est le cas de l’industrie forestière, où différents produits sont générés à partir d'une seule ressource; une analyse indépendante de chaque produit ne permet pas facilement à un industriel d'avoir un portrait complet de ses activités. Afin de pallier à ce manque, le chapitre 3 présente une ACV-A de l’ensemble du portefeuille de produit d’un industriel. De plus, pour valider les résultats de l’analyse par produits, nous avons comparé la sommation des produits générés à une ACV de l’ensemble de l’organisation.
Le présent projet de recherche vise à développer un modèle d'aide à la décision qui intègre les critères environnementaux et économiques qui s'inscrivent directement dans l'approche suggérée par Gluch et Beauman (2004). Pour permettre cette intégration dans un modèle d'optimisation multicritère, il est essentiel de pouvoir lier les résultats de l'ACV-A avec le critère économique. C’est pour cette raison que nous proposons de réaliser une ACVC-PA pour les similarités entre les deux méthodes, tel que de permettre d’avoir des frontières du système, une unité fonctionnelle commune. Comme vue dans la section 1.1.1.2 certaines CPA ont été réalisées sur l’industrie forestière, mais de façon distincte entre les activités de récolte en forêt et celles de transformation à la scierie. Par l’approche de cycle de vie, le chapitre 4 présente une analyse de l’ensemble des activités d’une entreprise forestière. À partir de ces résultats, nous proposons une analyse sur le positionnement des principaux produits du bois de l'entreprise à l'étude, sur le marché nord-américain. Dans le domaine de la recherche opérationnelle appliquée à l’industrie forestière, les modèles même stratégiques ne traitent pas du réseau logistique dans son ensemble. Le recours à la pensée de cycle de vie permet de combler ce manquement. Depuis la publication du modèle d’Azapagic et Clift en 1999, les études présentant des applications sont encore peu nombreuses, comme cela a été présenté dans la section 1.1.3. Le modèle proposé dans cette thèse se distingue par l’approche a posteriori (en générant l’ensemble des solutions en faisant varier les pondérations entre les différents critères), une résolution par une méthode exacte et surtout par l’utilisation de données d’ACV conséquentielle permettant d’anticiper les changements.
1.2.
Problématique industrielle
Depuis de nombreuses années, l'industrie forestière québécoise subit plusieurs formes de crises. Le film
L’Erreur boréale, de Richard Desjardins et Robert Monderie (1999) a soulevé de nombreuses questions à
propos de la gestion des forêts publiques. Son propos constituait une critique sur le modèle forestier québécois. Plus récemment, c'est une crise économique conjoncturelle et structurelle qui a frappé le secteur forestier. D’après les experts économiques, sa composante conjoncturelle est attribuable à une carence des marchés, particulièrement celui de la construction immobilière aux États-Unis, qui est le plus gros consommateur du bois d’œuvre produit au Québec (Beauregard, 2015). Sa composante structurelle provient du déclin irréversible du marché du papier journal, qui entraine un déclin correspondant de l’industrie des pâtes et papiers, le grand consommateur des coproduits des scieries. Le manque de compétitivité des produits du bois québécois est également évoqué. Des coûts de récolte élevés, la faible productivité due à des aires d'abattage de plus en plus éloignées, les diamètres plus petits des troncs et le manque d'investissement technologique en seraient les principales raisons.
À cela s'ajoutent des problématiques environnementales planétaires, pour lesquelles les forêts et les produits du bois sont un moyen d'atténuation. En effet, le réchauffement global, dû à l'augmentation de la concentration de carbone dans l’atmosphère, est probablement la catastrophe environnementale la plus importante à laquelle doit faire face l'humanité. Le Groupe d'Experts Intergouvernemental sur l’Évolution du Climat (GIEC), organisme scientifique créé en marge de la Convention-cadre des Nations Unies sur les changements climatiques (CCNUCC), effectue des évaluations et des synthèses des travaux de recherche menés dans le monde entier. Dans le chapitre sur l'adaptation aux changements climatiques, du quatrième rapport, il est rapporté que les forêts jouent un rôle substantiel dans le cycle du carbone sur terre (IPCC, 2014). Il y est mentionné que les aménagements anthropiques durables des forêts et les produits du bois issus de matière ligneuse récoltée généreront les plus grands bénéfices d'atténuation à long terme : « In the long term,
sustainable forest management strategy aimed at maintaining or increasing forest carbon stocks, while producing an annual yield of timber, fiber, or energy from the forest, will generate the largest sustained mitigation benefit. » (Nabuurs et al., 2007).
De nombreuses analyses démontrent que les produits du bois sont moins énergivores, et donc de moindres émetteurs de carbone que les matériaux de construction compétiteurs que sont l'acier et le béton (Sutton 2003; Taylor et Van Langenberg 2003). La substitution du béton ou de l’acier par le bois permet d'éviter des émissions, ce qui présente un avantage dans le secteur de la construction (Eriksson et al., 2007 ; Niles et Schwarze 2001 ; Valsta et al., 2008). De plus, le bois est un réservoir naturel de carbone dont chaque atome provient d’une molécule de dioxyde de carbone atmosphérique grâce à la photosynthèse. Ce carbone, dit biogénique, demeure séquestré dans les produits en bois tout au long de la durée de vie utile des bâtiments
(Karjalainen et al., 1999). En Amérique du Nord, ces avantages de lutte aux changements climatiques présentent un potentiel plus marqué pour les constructions non résidentielles, car les volumes sont importants, mais surtout parce que ces édifices sont traditionnellement constitués d'acier ou de béton (Beaulieu, 2012), alors que les constructions résidentielles sont déjà majoritairement à ossature de bois.
De plus, le bois est également une source énergétique renouvelable dont la combustion est considérée comme neutre en émissions de CO2 (IEA, 2002). Par conséquent, la substitution d’un combustible fossile par de la biomasse lignocellulosique représente un gain carbonique net (Baral et Guha, 2004). Malgré que la prétention à la carboneutralité soit largement remise en question aujourd’hui, par des effets de dette carbone, il demeure que la substitution de combustibles fossiles présente des bénéfices importants. Les émissions dues à la combustion de la biomasse sont compensées à plus ou moins long terme par la croissance des forêts lorsque celles-ci sont aménagées de façon durable.
Des analyses comparatives ont montré l'avantage compétitif environnemental des produits du bois québécois (Laurent et al., 2013 ; Wells et al., 2011). La raison principale est la disponibilité d'une énergie avec une très faible intensité carbonique pour l'ensemble des équipements de transformation mécanique. La production d’électricité dans la province étant issue quasi uniquement de l'hydroélectricité, les industriels québécois devraient capitaliser sur cet avantage concurrentiel comme positionnement marketing. D'autre part, des investissements dans de nouvelles technologies permettraient de réduire l'empreinte environnementale des activités et de générer de nouveaux produits. La valeur ajoutée aux produits du bois augmenterait les retombées locales et constituerait une opportunité de sortie de la crise économique, mentionnée plus haut. La quantification de l'ensemble des avantages environnementaux de la substitution par le bois des produits énergétiques et de construction devrait être documentée plus avant et diffusée à un large public. Ceci favoriserait l'utilisation de cette ressource naturelle et renouvelable qui souffre d’un manque d'acceptabilité sociale au Québec.
Pour répondre aux crises énoncées, cette industrie doit relever des défis d'ordre économique, social et environnemental. Ces enjeux constituent les trois piliers du développement durable. Des outils d'aide à la décision devraient donner aux dirigeants du secteur les moyens de mieux cerner les problématiques grâce à l'anticipation des effets d'une modification dans le réseau logistique, et offrir des pistes de solutions.
La substitution énergétique est facile à quantifier, grâce aux équivalences de pouvoir calorifique des combustibles. En revanche, dans le cas des matériaux de construction, la tâche est plus ardue lorsqu'il s'agit de comparer du béton ou de l'acier avec des produits du bois. De nombreux paramètres doivent être pris en considération, par exemple la résistance mécanique des matériaux, qui en est un particulièrement important
(Purnell, 2011). À cela devrait s'ajouter les effets de la sylviculture de façon holistique. C’est-à-dire les comparaisons entre les scénarios de différentes intensités d'aménagement générant des produits du bois et une forêt « vierge » non aménagée, en intégrant l’influence que cela pourrait avoir sur la redondance de perturbations naturelles.
Du côté social, des emplois seront probablement créés. Même si cet aspect ne sera pas directement traité dans le projet, la prise en considération des impacts environnementaux dans la stratégie de l’entreprise devrait augmenter le sentiment d'appartenance des employés par la fierté de participer à l'atténuation des problématiques environnementales et améliorer la perception de l'ensemble de la société québécoise envers les produits du bois. L’augmentation de l’utilisation pourrait se concrétiser par la possibilité d'indépendance énergétique grâce à la biomasse ou pour la beauté architecturale d'un projet tel qu'un amphithéâtre à ossature bois.
La représentation graphique du développement durable du rapport Brundtland (1987), dont est inspirée la figure 2, est couramment utilisée pour représenter les trois piliers qui sont exposés dans la problématique.
Les entreprises, quel que soit le secteur d’activité, ont pour objectif de faire des profits si bien que l’enjeu économique est prioritaire. Bien que les produits du bois présentent plusieurs avantages énoncés précédemment d’un point de vue environnemental et que la plupart des entreprises forestières ont une certification assurant de la bonne gestion des aménagements. Il est peu courant de trouver des entreprises qui couvrent les trois enjeux simultanément aussi bien que les Chantiers Chibougamau ltée (CCltée). L’intégration locale de cette entreprise, visible par les retombées dans la communauté sont une des raisons supplémentaires qui nous a poussés à choisir notre partenaire industriel. En effet, il s'agit d'une entreprise
Figure 2: Représentation graphique du développement durable et des enjeux pour l’industrie forestière (inspirée du rapport Brundtland 1987)
